К

К.т.н., доц. Киялбай С.Н., магистр технических

наук Мухаметчанова Д.А, магистрант Патхоллин Н.Ж.

Казахская автомобильно-дорожная академия им. Л.Б.Гончарова, Республика Казахстан

УДК 625.721.2

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПО УВЛАЖНЕНИИ КОНСТРУКТИВНЫХ СЛОЕВ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ В ЗАСУШЛИВЫХ РАЙОНАХ КАЗАХСТАНА

Дорожная конструкция, как элемент окружающей среды, находится под постоянным воздействием природно-климатических условий, формирующих ее водно-тепловой режим. Воздействие водно-теплового режима проявляется в попеременном увлажнении и просыхании грунтов земляного полотна в зависимости от их промерзания и оттаивания, которые влияют на снижение прочностных свойств дорожной конструкции. Это особенно опасно в пылевидных супесчаных и лессовых грунтах. При этом также следует учитывать климатические условия местности. В дорожно-климатических зонах характерны большие перепады суточной температуры воздуха (в пределах 25-35 ^оС), изменение водно-теплового режима существенно отличается от других зон (особенно I-III). Здесь показатель суточного перепада температуры воздуха сыграет главную роль, и он влияет на снижение прочностных свойств дорожной одежды и глубину проникновения влаги в ее слои и тело земляного полотна. В связи с этим Ю.Л.Мотылев /1/ выделяет два основного типа грунтовых вод:

– тип I с максимумом в зимне-весенний период, связанный с промывкой почвогрунтов, которая как правило производится в феврале-марте, характерен для территорий, где распространены засоленные грунты;

– тип 2 с максимумом в жаркий период (июнь-август), обусловленный поливом сельскохозяйственных культур в период их вегетации или вторым (летним) паводком рек, приурочен к давно орошаемым территориям, где засоление незначительное и необходимость в промывках полей отсутствует.

Проведенные натурные наблюдения, с целью определения причин увлажнения земляного полотна и конструктивных слоев дорожной одежды в местной сети Кызылординской области, подтвердили выводы Ю.Л.Мотылева и предложенную им дифференциацию режима грунтовых вод. Почти вся дорога, исследуемая нами, относится к 1-му типу (тип 1а) по условиям увлажнения местности. Однако, местами, где дороги проходят через орошаемую территорию сельскохозяйственных угодий, наблюдались участки с повышенной влажностью, характерные 3-му типу местности, являющаяся причиной образования пучин. Здесь почвогрунты, как правило, представлены тяжелыми разновидностями, т.к. на этих местах обычно культивируется рис, в этом случае имеет место разновидность 3-го типа – 3 а (рисунок 1).

Рисунок 1. Характерные типы режима грунтовых вод на орошаемых территориях Кызылординской области

По исследованию узбекского ученого, д.т.н., профессора А.Ж. Каюмова /2/, все орошаемые территории Узбекистана, характерные и для территорий Кызылординской области, отнесены к постоянно увлажняемым местам. Таким образом, анализ выделенных типов режима грунтовых вод показывает, что только типы 1, 3 и их разновидности 1а, 3а могут быть отнесены к постоянно увлажняемым местам. Высокое стояние грунтовых вод охватывает и холодный и теплый период, причем в холодный период высокое стояние грунтовых вод совпадает с периодом интенсивных осадков, поэтому в этот период указанные территории на самом деле являются увлажненными лишь в дни полива, что длится 3-4 дня и повторяется через 10-15 дней.

Результаты анализа показывает, что атмосферные осадки чрезвычайно неравномерно распределяются в Южной части Казахстана /3/. Например, среднегодовое количество осадков в Кызылординской области изменяется в пределах 104-141 мм, в Шымкенте и Таразе – до 320 мм, в предгорных районах Алматинской области – от 350 до 581 мм и выше. Показатели среднегодовой относительной влажности воздуха в этих регионах также не высокие, т.е. их значения колеблется в пределах от 47 до 59 % в равнинной местности, а в горах до 65 %.

Атмосферные осадки и их испарение являются элементами геокомплекса, сток и впитывание влаги – источниками увлажнения дорожной конструкции. В условиях сухого и жаркого климата, испарение является одним из существенных элементов водного баланса. Такие явления, которые могут способствовать пучинообразованию конструкции дорожной одежды, часто наблюдаются на дорогах, проложенных через орошаемые территории.

В практике водобалансовых исследований для определения испарения пользуются различными методами, которые делятся на эмпирические, экспериментальные и балансовые. Все указанные методы непригодны для определения испарения с дорожной конструкции, ввиду ее ограниченности в поперечном направлении и отсутствии данных измерений метеорологических показателей над дорогой. Не рационально также применение метода В.И. Рувинского /4/, поскольку в данном случае испарение необходимо для установления периода влагонакопления и принятия решения о целесообразности применения мер регулирования влажности земляного полотна, для чего требуется высокая точность.

Для исследуемого региона среднемесячные величины испарения определены, согласно /3/, за период 1995-2008 гг. На рисунке 2 изображено графическое определение периода увлажнения участков дорог, проложенных через поливные территории, из которого видно, что дорожную конструкцию влияет разность между осадками и испарением.

Рисунок 2. Графическое определение эффективных осадков и периода их действия на дорогу (Т_Э):

– испарение; – дефицит влаги.

Таким образом, при расчете водно-теплового режима дорожной конструкции, на дорогах Южной части Казахстана, где дефицит атмосферных осадков и поверхностных вод, источниками влагонакопления могут являться, в основном, постоянно орошаемые территории, где проложена автомобильная дорога. Для разработки новой модели возникает необходимость обоснования физической сущности влагонакопления из этих факторов.

Обычно влажность W земляного полотна находится в функциональной зависимости от суммарного воздействия климата, почвогрунтов, рельефа местности, грунтовых и поверхностных вод. В тоже время на её величину существенное влияние оказывают и конструктивные особенности дорожной одежды и земляного полотна, т.е. водопроницаемость покрытий, пористость нижних слоев дорожной одежды, коэффициент уплотнения земляного полотна, вид грунта и др. Исходя из этого соображения, W можно определить по формуле:

(1)

где Г_i - суммарное воздействие географического комплекса (климатические условия, рельеф местности, грунты и т. п.); D_i - суммарный дорожный комплекс (геометрические параметры дороги, конструкция дорожной одежды, тип покрытия и т.п.).

Таким образом, исследование влагонакопления в грунтах земляного полотна должно основываться на совместном учёте геокомплекса и дорожного комплекса. При этом расчётная влажность W_Р в теле земляного полотна всегда будет находиться в пределах

, (2)

, (3)

где W_ОПТ – оптимальная влажность, %; W_П.В. – полная влагоемкость грунта, %; V - объём защемленного воздуха, %.

Из условия (2) следует, что при отсутствии регулирования водного режима, W_Р равна максимально возможной влажности и, являясь аналогом плотности, может быть легко определена в процессе проектирования дороги, а при зарегулированном водном режиме и не требует специального определения. Простота определения величин и позволяет проектировщику оценить экономическую эффективность от применения мер регулирования водного режима земляного полотна и принять оптимальное проектное решение с учётом конкретных природных условий и инженерно-технических решений.

Наиболее важной задачей для принятия оптимального проектного решения является определение прочностных и деформационных свойств местных грунтов в широком диапазоне плотности и влажности.

Третий тип увлажнения рабочего слоя земляного полотна, хотя не характерные для Южней части Казахстана, следует принимать для той местности, где дорога расположена вдоль орошаемой территории сельскохозяйственных угодий. В этом случае подземные воды залегают на глубине более 3 м от низа дорожной одежды. Обычно, такие участки легко подвергаются к пучению, т.к. этому способствует вид грунта (засоленные суглинистые или лессовые грунты) и условия увлажнения местности.

Основываясь на результатах проведенных исследований и исходя из классификации типов водно-теплового режима по В.М.Сиденко /5/, для рассматриваемого региона могут быть установлены следующие типы водно-теплового режима земляного полотна.

1. Концентрационная диффузия и термодиффузия водяных паров, поступающих в земляное полотно снизу в холодный период, характерны для неорошаемых территорий при глубоком залегании грунтовых вод. Увлажнение грунтов в таких регионах происходит до величины максимальной гигроскопичности. В холодный период года на орошаемых территориях при втором типе местности по условию увлажнения грунт может достигать максимальной влагоемкости .

2. Влага поступает в земляное полотно в жидкой фазе от уровня грунтовых вод. Увлажнение грунта достигает величины полной влагоемкости W_П.В_., характерной для орошаемых территорий с 1 и 3 типами режима грунтовых вод, залегающих на глубине, меньшей величины капиллярного поднятия.

3. Вода поступает в земляное полотно через трещины и швы покрытий. Действует в холодный период, когда выпадает основное количество осадков, а раскрытие трещин и швов достигает максимальных размеров. Увлажнение грунта может достигать полной влагоемкости W_П.В_. в зависимости от количества осадков, типа покрытия, пористости основания и плотности земляного полотна.

В рассматриваемом регионе (Кызылординская область) отсутствуют необходимые предусловия для глубокого и длительного промерзания земляного полотна и связанного с ним разуплотнения грунтов. Здесь образование влагонакопления в теле земляного полотна связано с миграцией влаги, находящейся в притрассовой зоне. Для предотвращения таких видов влагонакопления в боковых резервах и в нижних слоях основания целесообразно предусматривать устройство бермы или уполаживание откосов (пример расчета приведен ниже).

Пример расчета. Определит допустимое расстояние L_доп от бровки земляного полотна до уреза длительно стоящих поверхностных вод.

Значение L_доп зависит от физико-механических свойств грунта (коэффициента фильтрации К_ф, оптимальной влажности W_опт и др.) и продолжительности стояния воды в боковых резервах земляного полотна t (сутки) в течение года и определяется по формуле (рисунок 3):

(4)

где р_в – плотность воды, т/м³; W_пв – полная влагоемкость грунта, дол. ед.:

где р_гр – истинная плотность грунта, т/м³; и р_ск – плотность скелета грунта, т/м³; 1,15 – коэффициент, учитывающий принятые размерности.

а)
б)

Рисунок 3 – Отвод поверхностных вод в боковых резервах:

а – устройство бермы; б – уполаживание откосов.

Исходные данные:

а) для супеси при К_ф=0,25 м/сут, р_гр=1,7 т/м³, р_ск=1,35 т/м³и W_опт=9 % . Таким образом, L_доп=15,30 м;

б) для суглинка при К_ф=0,05 м/сут, р_гр=1,9 т/м³, р_ск=1,40 т/м³и W_опт=14 %. Таким образом, L_доп=9,18 м.

Резюме. Результаты расчетов показывают, что допустимая длина уполаживание откосов L_доппрямым образом зависит от коэффициентов фильтрации К_ф грунтов и их оптимальной влажности W_опт, т.е. чем грунт менее водопроницаемый, тем ниже значения L_доп. Таким образом, чем выше значение L_доп, тем шире полосы отвода для земляного полотна на данном участке.