Қасымов А.Е , Рамазанов Д.А, Рапеков Е.Д, Ахметсалимов А.С
Восточно-Казахстанский Государственный технический университет им.Д.
Серикбаева, г.Усть-Камногорск
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ изучение методов
регулирования водно-теплового режима дорожных конструкциях в условиях Юго-Восточного казахстана
Целевая
установка
На автомобильных дорогах, проходящих в
предгорных и горных районах Восточного Казахстана, как видно из осмотров с 2003
по 2004гг. имеются участки, где ежегодно наблюдаются значительные пучинные
деформации, хотя Восточный Казахстан находится достаточно далеко от границы
распространения пучин.
Водно-тепловой режим по-разному влияет на
устойчивость земляного полотна и дорожных одежд как в различных ландшафтных
зонах, так и внутри последних в соответствии с внутризональной неоднородностью
природно-климатических условий.
Значительное влияние на формирование
внутризональной дифференциации оказывают горные поднятия, которые не только
создают свой особый климат, но и вызывают существенные изменения климата и ландшафтов
прилегающих равнин.
Случаи пучинообразования наблюдала также
экспедиция Казахского филиала Союздорнии (Ивлев Н.Н.), проводившая обследование
отдельных дорог Восточного Казахстана в 1964-1966 гг [1].
На аналогичные факты разрушения дорог в
других предгорных районах Юго-восточного Казахстана по исследованию
водно-теплового режима дорожных конструкций указывают в своих работах Каменев
А.М. (предгорья Заилийского и Джунгарского Алатау), Подгайный Г.Д. (Чуйская
долина), Поздняк (предгорья Ферганского хребта) и др[2].
Это означает, что природные условия
предгорных и горных районов IV-степной и V-пустынной зон (по существующему делению) близки к
условиям более северных районов, т.е. II и III-климатических зон, где к дорожным одеждам
предъявляются более повышенные требования в отношении морозоустойчивости.
Целевой установкой настоящей работы
является разработка методов регулирования водно-теплового режима в условиях
Юго-Восточного Казахстана на основе эпизодических обследований и наблюдений на
постах.
Составной частью целевой установки работы
является – исследование конструкций дорожных одежд Восточного Казахстана,
разработка методов по регулированию влажности и тепла, имеющих ближайшую
перспективу широкого распространения в дорожном строительстве.
Климат Восточного
Казахстана
Климат области резко континентальный с
большими суточными и годовыми амплитудами температуры воздуха. Зима суровая,
лето сравнительно продолжительное и жаркое, в Зайсанской котловине – сухое.
Средняя температура холодного месяца января колеблется по области от -13 до
-22˚С, а в горных котловинах до -27˚С, причем в зимний период
наблюдается температурная инверсия – повышение температуры с высотой. Морозы
достигают -50˚, -55˚С. На востоке (Кокпекты) до -13˚ на юге
(Тансык). Абсолютный минимум температуры воздуха бывает от -54˚ мороза на
севере, до -44˚ мороза на юге. Средняя температура самого теплого месяца –
июля достигает +24˚ (Жарма). Абсолютный максимум летом доходит до
+42˚. Средняя годовая температура воздуха в центральных и восточных частях
области колеблется от +0,5˚ до +6˚. Средняя температура воздуха
самого теплого месяца (июля) на юге составляет +22˚-23˚, на севере
+18-20˚. Температура в горах с высотой убывает, доходя в июле до
+14˚-16˚ (на высоте 1000-1500 м) летом в отдельных случаях бывает
+40˚С, в горах -30-35˚.
Среднегодовая температура воздуха
составляет от 1˚-2˚ на севере области, до 3-4˚ на юге, в горах
–4˚-5˚ и ниже. Годовое количество осадков колеблется в больших
пределах. Наименее обеспечен осадками юг области, район Зайсанской котловины,
где за год в среднем выпадает 150-200 мм. Годовое количество осадков на большой
территории области – 300-500 мм. Наибольшее количество осадков наблюдается на
западном склоне Алтая (1500 мм). Большая часть осадков выпадает в теплый период
с максимумом в июле, а на юге – в мае и июне. Осадки очень изменчивы. В особо
засушливые годы выпадает в +1,5-2 раза меньше нормы и наоборот, в наиболее
влажные годы, больше во столько же раз. Область относится к зоне недостаточного
и неустойчивого увлажнения. Южные районы области наиболее слабо увлажнены.
Осадки 300-400 мм и более в основном выпадают в возвышенных участках рельефа, с
преобладанием их в теплый период года (IV-X). Исключение
составляют предгорные районы Западного Тарбагатая, где отмечается равное или
почти равное количество летних и зимних осадков, но с преобладанием их в
осенне-зимний период. Возможны большие колебания осадков. В наиболее засушливые
годы осадков выпадает в полтора-два раза меньше нормы и, наоборот, в наиболее
влажные – примерно во столько же раз больше.
Средняя месячная относительная влажность
воздуха в 18 часов изменяется в пределах от 37% в мае и июне до 74% в декабре.
Абсолютный дефицит влажности воздуха бывает от 0,3-0,8 мб в декабре-январе,
10,0-20,0 мб в июле. Направление ветра самое различное, со сменой его иногда
несколько раз в течение дня. Средняя годовая скорость ветра по большинству
районов составляет 3,5-4,5 м/сек. В северной части Урджарского и Маканчинского
районов отмечается значительное уменьшение ее, в среднем за год до 1,8 м/сек[3].
На рисунке 1 приведены основные
климатические характеристики Восточно-Казахстанской Области по данным
метеостанциям за последние2002-2008гг.
1- сумма осадков, мм; 2-испаряемость за год, мм; 3-
сумма осадков за весенний период, мм; 4-сумма осадков за осенний период, мм;
5-средне-годовая температура воздуха,0С; 6-средне-годовая амплитуда
колебания воздуха, 0С; 7-сумма отрицательных температур за зиму,
градусо-сутки.
Рисунок 1- Характеристика Природно-климатических
условий на северном склоне гор
Экспериментальное наблюдения влияния осадков и
температуры на дорожную конструкцию Восточного Казахстана
Экспериментальное
наблюдение наглядно показывает на то, что осадки в виде дождя и снега а также
температура воздуха влияют на дорожную конструкцию и его грунтовое основание. В
свизи с этим приводим годовое наблюдение среднемесячных осадков в виде дождя,
снега с 2002-2007 годов (рисунок 2,3,4) по полученными данными постов
гидрометеостанции города Усть-Каменогорска.
Рисунок 2 - Среднемесячные осадки с 2002-2007гг.
г.Усть-Каменогорска
С графика осадков с 2002-2007 годов мы
видим что за последние 5 лет в зимнем периоде осадки доходят в среднем 2-31 мм,
а в летнем периоде в среднем 3-11 мм. Как таковое, экспериментальное наблюдение
проводилось в 2003-2004 годах. Подводим итог в графике осадков в виде дождя,
снега и температуры воздуха (рисунок 3,4).
Рисунок 3 - Годовые осадки с 2003г-2004г.
г.Усть-Каменогорска
Из графика осадков 2003-2004 годов мы
видим что зима длится почти 5 полных месяцев начиная с ноября до середины
апреля. Осадок в виде снега в среднем доходит от 3-31мм. Осадок в виде дождя
видно по графику начинается с апреля по октябрь, 3-12мм. Даже по полученному
графику мы можем увидеть, что климат очень резко континентальный. Летом
практически нет дождя, засуха, жара, а в зимний период времени выпадают осадки
в виде снега в две нормы больше. Влияние осадков, как влажности на дорожную
конструкцию и его основании в осенний и весенний периоды очень велико.
Накопившаяся осенью вода зимой замерзает, весной как правило тает и вода на
дорожную конструкцию попадает через обочины. Соответственно происходит процесс
изменения водно-теплового режима и разрушение дорожной конструкций.
На дорожную конструкцию влияют не только
атмосферные осадки, но и резкие перепады и повышение температуры воздуха.
Приводим пример средне годового графика температуры 2003-2004г (рисунок 4).
Рисунок 4 - Средняя годовая температура воздуха
2003-2004гг.г.Усть-Каменогорска
По полученному графику средней температуры
воздуха мы можем увидеть, что холодание начинается с середины октября по
апрель. Температура 0С0-17С0 практически держится 6
месяцев. А потепление наступает с середины марта и держится до середины октября
при температуре 0С0+21С. График показывает, что средняя температура
воздуха идет равномерно по параболе.
От полученных данных среднегодовых осадков
и температур воздуха можно подвести итоги: что Восточный Казахстан приближен к
горным местам, соответственно в горах больше снега, зима длится дольше, лето
жаркое сухое. Выпавшие осадки в виде дождя в сентябре постепенно превращаясь в
ноябре в мокрый снег, начинают замерзать с октября по ноябрь месяц. Изменение
водно-теплового режима в дорожных конструкциях и основаниях происходит в осенний период при температуре 0-15С0
начиная середины октября. Постепенно впитываемая через обочины в дорожное
основание вода замерзает до температуры -30С0 и ниже. Весенний
период происходит процесс оттаивания с середины марта при температуре 0 +15С0
, и постепенно, при повышении температуры до +30С0 и выше происходит
процесс испарение влаги. Весь этот происходящий процесс изменения
водно-теплового режима влияет на состояние дорожной конструкции.
Природно-климатические
зоны Восточного Казахстана
Из приведенных данных мы видим, что
Восточный Казахстан имеет сложный рельеф и в распределении климатических
элементов почвенно-растительного покрова и других природных условий
преобладающее значение имеет характер вертикальной зональности. С повышением
высотного положения последовательно сменяются все виды почв, свойственные
ландшафтным зонам равнин, начиная от пустынных бурых до лесных и тундровых.
Соответственно, изменяется увлажненность почвогрунтов осадками и грунтовыми
водами. Уменьшается засушливость территории с приближением к предгорьям и
горам. Если в пустынных степных районах почвы летом сильно иссушаются и
отсутствует осеннее повышение влажности (зона У-УI), то в предгорных и горных зонах просыхание грунтов
незначительное, осенью наблюдается повышение влажности до глубины 0,6-0,8 м.
В зависимости от высотного положения и по
увлажненности территорию Восточного Казахстана можно разделить на следующие
природно-климатические зоны: высокогорную (нивальная и тундрово-луговая),
горно-лесную избыточно-влажную (таежная), горно-лесостепную очень влажную (на
севере) и умеренно влажную (на юге), горно-степную теплую, полупустынную сухую.
На рисунке 5 приведена карта климатических зон, границы которых выделены нами
на основании картографических и климатических данных.
В дальнейшем при анализе результатов
обследований, выборе постов и дорог нами принималось за основу указанное
разделение зон[4].
По распределению природно-климатических
зон можно увидеть: в Восточном Казахстане есть все четыре зоны. Для
сравнение можно посмотреть границы
предгорных и горных зон по Казахстану по исследованиями, проводимыми МАДИ
(Ивлев Н.П) на рисунке 6.
По исследованию Ивлев Н.П Восточный
Казахстан находиться на III-IV зоне, а по МАДИ Восточный Казахстан в II.III.IV предгорных и горных природно-климатических зонах.
Весь Юго-Восточный Казахстан находится в II.III.IV природно-климатических зонах[5].
I – Высокогорная (нивальная и тундровая луговая);
II – Горно-лесная избыточно-влажная (таежная);
III – Горная лесостепная очень влажная (север) и умеренно
влажная (юг);
IV – Горно-степная теплая;
V – Пустынно-степная (полупустыня засушливая);
VI – Пустынная сухая.
Рисунок 5 - Природно-климатические зоны Восточного
Казахстана
Рисунок 6 - Границы предгорных и горных зон Казахстана
по Ивлеву Н.П и МАДИ
Выводы и
рекомендации
Обобщая данные наблюдений на постах и
обследований характерных участков, можно сделать следующие выводы о состоянии и
устойчивости дороги Усть-Каменогорск-Самарское.
1.
Условия увлажнения в
целом на дороге – облегченные; распространены преимущественно сухие места и
места с временным застоем воды (1 и 2 типы местности). К 2 типу отнесены
участки с затрудненным водоотводом, межгорные впадины. Участков с длительным
застоем нет (в течение года 20 дней). На км 16+500, где образуется застой в
виде озерка на большой площади уже к середине мая вода полностью входит.
Размывы полотна на этой дороге встречаются реже, в 2003 и 2004 гг. размытых
участков не было.
2.
Влажность грунтов
верхнего слоя грунтового основания – ниже
оптимальной; в весенние периоды 2003 и 2004 гг. по
всей дороге они изменяются в пределах 12-18% (в абсолютных значениях),
относительная влажность составляет 0,4-0,5 от предела текучести и редко
превышает 0,6. исключением служит км 16+500, где относительная влажность
доходит до 0,7-1,0, и участок 7 км (пучинистый), где относительные влажности
выше 0,6 встречаются только в местах «пучения», вскрытия в промежутках между
ними показали, что там переувлажнения не происходит, распределение влажности по
глубине. По данным наблюдений на постах, влажность так же находится в пределах
0,4-0,6 от предела текучести без больших изменений в течение года, тогда как
грунт поля сильно иссушается за лето (до 0,1 Wt). Осенью повышение влажности грунтов значительное.
В отношении водно-теплового режима
находится в благоприятных условиях, наблюдаемые деформации переувлажнения (1-7
км) имеют исключительно местный характер, подвешенная капиллярная влага
образуется вследствие неблагоприятного напластования грунтов, суглинистый слой
задерживает фильтрацию поверхностных вод в подстилающий крупнозернистый
гравийный материал. Эффективным мероприятием в данном случае являлась бы полная
замена прослойки суглинка на гравийный материал, менее эффективно устройство
поглощающих колодцев (вертикальных дрен).
3. По прочности дорога не удовлетворяет
существующему движению и требует реконструкции. Прогибы покрытия весной на
дороге составили 1-3,5 мм. Коэффициент прочности 0,4-0,7, редко превышая 1,0
(на скальных основаниях). Поэтому все наблюденные деформации происходят
исключительно из-за недостаточной толщины дорожной одежды.
При существующей интенсивности движения
(требуемый модуль упругости 1700 кг/см2) обычные способы усиления
путем смешения гравия на месте не дадут эффекта, здесь нужны более капитальные
типы покрытия на прочных основаниях (асфальтобетон или черные смеси,
изготовленные в установке, грунтовые и гравийные основания, укрепленные
вяжущими).
Список
литературы:
1 Н.Н. Ивлев.
Пучинообразования отдельных дорог Восточного Казахстана в 1964-1966г.г.
Казахского филиала Союздорнии .
2 А.М. Каменев. Исследование водно-теплового режима дорожных
конструкций в предгорных районах Юго-Восточного Казахстана. Москва 1970, вып
43, стр. 95-126.
3 А.Е. Қасымов. Практические результаты исследований
особенностей
водно-теплового режима и методы его расчета. Усть-Каменогорск.
2007,
Вестник
ВКГТУ, вып 4, стр. 76-84.
4 А.Е Қасымов «Корректировка расчетных значений параметров
автомобильных дорог с учетом динамики влагонакопления и водно-теплового режима
земляного полотна». «Вестник». ВКГТУ им.Д. Серикбаева. №3 (37), сентябрь, 2007.
стр.62-68.
5 А.М. Каменев Влияние промерзания на водный
режим земляного полотна в предгорных районах Юго-Восточного Казахстана. М.:
1970 вып. 45.
6 А.Е Қасымов «Корректировка расчетных значений параметров
автомобильных дорог с учетом динамики влагонакопления и водно-теплового режима
земляного полотна». «Вестник». ВКГТУ им.Д. Серикбаева. №3 (37), сентябрь, 2007.
стр.62-68.
7 А.Е Қасымов «Устройство качественного основания автодорог
при значительных перепадах водно-теплового режима земляного полотна» «Вестник». ВКГТУ им.Д. Серикбаева.
№4 (38), декабрь, 2007. стр. 84-89.
8 А.Е Қасымов «Оценка водно-теплового режима земляного
полотна и геотекстиль в конструкциях дорожных одежд».«Вестник». ВКГТУ им.Д. Серикбаева. №1 (39), март, 2008.
стр. 81-87.
9 А.Е Қасымов
«Автомобильные дороги с учетом динамики влагонакопления и
водно-теплового режима земляного полотна Юго-Восточного
Казахстана».«Региональный вестник Востока».
ВКГУ им.С.Аманжолова. .С.Аманжолова. №4 (36), декабрь, 2007. стр. 71-78.