автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Регулирование водно-теплового режима автомобильных дорог в условиях муссонного климата

р Г Б ОД

2 3 ОКТ >395

На правах рукописи

Ярмопинский Апопенар Иванович

РЕГУЛИРОВАНИЕ ВОЯНО-ТЕППОВОГО РЕЖИМА АВТОМОБИЛЬНЫХ ПОРОГ В УСЛОВИЯХ МУССОННОГО КЛИМАТА

(Специальность 05.23.11 - строитепьство автомобильных дороз и аэродромов)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва, 1995

Научный консультант Официальные оппоненты -

Работа выполнена в Хабаровском государственном техническом университете.

доктор технических наук, профессор Тулаев А.Я.

академик Академии транспорта РФ, доктор технических наук, профессор Казарновский В,Д.

доктор технических наук Рувинский В.И.

академик Академии транспорта РФ, доктор технических наук, профессор Титов В.П.

ГП "Хабаровскавтодор"

Ведущая организация

Запита состоятся " ■• 1995 г. в 10.00

в ауд.42 на заседании диссертационного Совета ВАК Р} Д 053.30.01 при МАДИ по адресу: 125829, Москва ГСП 47, Ленинградский проспект, 64.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДй.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу института ученому секретарю.

Телефон для справок 155-03-28.

Автореферат разослан "_" Окл^^ г'> 1995 г.

Ученый секретарь \ ^

диссертационного Совета Ситников Ю.1Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Постановлением правительства от I декабря 1994 г. № 1310 определена программа развития автомобильных дорог Российской Федерации "Дороги России" на 1995-2000 годы. Программа предусматривает строительство автомобильных дорог "Амур" и "Уссури" в районах с муссоняым климатом. Цланируемые ассигнования яа строительство этих дорог составляют 1040,3 млрд.рублей (около 13 % средств, предусмотренных программой "Дороги России"). Большие задачи развития автомобильных дорог в регионе определяются новой геополитической ситуацией, когда за счет развития инфраструктуры Дальнего Востока решается проблема интеграции Российской Федерации в экономику стран Азиатско-Тихоокеанского региона.

В этих условиях автомобильные дороги должны отвечать требованиям современности.

Существующая сеть автомобильных дорог в регионе развита слабо, создавалась она в сороковые-шестидесятые годы по нормативам проектирования не соответствующим сегодняшним транспортным нагрузкам. Кроме этого, муссонный климат региона обусловливает ряд специфических особенностей, которые не учитывались ранее и не учитываются в настоящее время в нормах СНиП 2.05.02-85, разработанных, в основном, для условий европейской части страны.

Эта специфика заключается в наличии сложных климатических и геокриологических процессов, вызванных проникновением тихоокеанских муссонов в область распространения Сибирского антициклона. Б результате наложения сложных термодинамических процессов, территория пограничных районов характеризуется крайней неравномерностью климатических параметров. На характер климатических процессов оказывает влияние экспозиция склонов по отношению к направлению муссонных ветров, при этом количество осадков на наветренных в полтора-два раза выше чем на поветренннх. Существенно влияет на увлажнение территории ее удаление от океана.Количество осадков в зоне ослабления действия муссонов значительно меньше чем на побережье. Муссонные ветры оказывают сильное влияние на характер распространения многолетней мерзлоты в регионе. В зоне ослабления их влияния проходит граница I и П до-рожно-климатических зон. В переходной области от П к I дорожно-климатической зоне наблюдается активный процесс деградации мно-

голетней мерзлоты. Процесс усугубляется влиянием хозяйственной деятельности человека.

Строительство Байкало-Амурской магистрали, создание Зейско-го водохранилища, активная вырубка леса и другие аспекты хозяйственного освоения территории, нарушают геокриологическое равновесие, обусловливают необратимые деструктивные процессы.

В условиях неравномерности природно-климатических факторов трудно обеспечить устойчивый водно-тепловой режим дорожной конструкции. Поэтому понятно, что обеспечить прочность и долговечность автомобильных дорог в таких сложных природно-климатических условиях можно только на основе индивидуальных мероприятий по регулированию их водно-теплового режима.

Настоящая диссертационная работа базируется на результатах многолетних наблюдений за основными параметрами водно-теплового режима на опытных дорожных постах, которые были организованы в зоне релаксирупцего влияния Тихоокеанских муссонов.

По мере теоретической разработки, опытные мероприятия прошли экспериментальную проверку на пяти опытных станциях. Научные исследования выполнялись по заказам Министерства строительства и эксплуатации автомобильных дорог РСФСР, территориальных дорожных управлений Хабаровского, Приморского краев, Амурской и Сахалинской областей.

Материалы исследований положены в основу разработки региональной научно-технической программы "Дальний Восток" Госкомитета по высшему образованию Российской Федерации.

Цель и задачи работы. Целью работы является теоретическое и экспериментальное обоснование мероприятий по регулированию водно-теплового режима автомобильных дорог в условиях муссонного климата. Для ее реализации были поставлены следующие задачи.

1. Провести теоретический анализ особенностей водно-теплового режима автомобильных дорог по результатам натурных исследований на опытных дорожных постах.

2. Обосновать теоретические предпосылки выбора мероприятий по регулированию водно-теплового режима в условиях муссонного климата.

3. Разработать расчетный аппарат прогнозирования водно-теплового режима автомобильных дорог в условиях муссонного климата.

4. Выполнить экспериментальные исследования мероприятий по регулированию водно-теплового режима в лабораторных и натурных условиях.

5. Осуществить корректировку расчетных параметров водно-теплового режима на эксплуатируемых дорогах с учетом динамики природно-климатических условий и хозяйственного освоения региона.

6. Исследовать мероприятия по улучшению водно-теплового режима на неустойчивых участках эксплуатируемых дорог.

Научная новизна работы заключается в развитии теоретических представлений по проблеме регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог. В первую очередь это относится к введению в рассматриваемую проблему понятия "регулируемый Фронт промерзания дорожной конструкции". Связанные с реализацией этого понятия теоретические предпосылки позволяют развить существующие методы регулирования водно-теплового режима земляного полотна. Рассмотренные схемы влияния граничных условий на процессы теплообмена в дорожной конструкции позволяют осуществлять конструирование дорожных одежд из условия регулирования фронта промерзания и оттаивания земляного полотна.

В развитие теоретических предпосылок осуществлено опытно-экспериментальное исследование мероприятий по регулированию водно-теплового режима: воздушных прослоек; слоистых отражающих экранов; компенсационных добавок в пучинистые грунты; гид-рофобизированных дисперсных материалов и отходов промышленности в теплоизолирующих и гидроизолирукшх слоях.

Получили опытно-экспериментальное развитие мероприятия по совершенствованию системы осушения грунта земляного полотна и улучшению водно-теплового режима неустойчивых участков эксплуатируемых автомобильных дорог за счет использования электроосмотических воронок, мягких дрен, плоскостных и вертикальных дренажных устройств с синтетическими текстильными материалами.

Разработаны теоретические предпосылки учета динамики природно-климатических условий и хозяйственной деятельности человека при корректировке параметров водно-теплового режима на эксплуатируемых автомобильных дорогах.

Отмеченные теоретические положения разработаны на основе анализа особенностей водно-теплового режима автомобильных дорог в условиях муссонного климата.

Основная идея, положенная в основу работы над диссертацией, состоит в развитии существующих методов регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог на основе анализа и учета особенностей, обусловленных муссонным характером климата.

На защиту выносится совокупность положений, теоретических обобщений и экспериментально установленных закономерностей,позволяющих регулировать водно-тепловой режим автомобильных дорог в районах с муссонным климатом.

Достоверность научных положений, разработанных методов регулирования водно-теплового режима подтверждается авторскими свидетельствами, актами о внедрении результатов, применением современных методов расчета, программно-аппаратных средств и лабораторного оборудования, обеспечивающих достаточный уровень надежности результатов математического моделирования и измерений физических величин.

Личный вклад в решение проблемы. Представленная работа является результатом многолетних исследований автора на кафедре "Автомобильные дороги" Хабаровского государственного технического университета.

Решение поставленных задач осуществлено на основании многолетних наблюдений за основными параметрами водно-теплового режима на двадцать одном дорожном посту, пяти дорожных станциях с опытными мероприятиями по регулированию водно-теплового режима и многочисленных участках с противопучинными мероприятиями на автомобильных дорогах в районах с муссонным климатом.

Практическая ценность работы состоит в решении важной народно-хозяйственной проблемы увеличения темпов дорожного строительства за счет использования местных малопригодных грунтов, путем регулирования водно-теплового режима сооруженного из них земляного полотна.

Реализация результатов исследований осуществлена в виде следующей нормативной документации:

- Рекомендации по борьбе с пучинами на автомобильных дорогах Сахалинской области. Хабаровск, 1971. - 87 е.;

- Уточнение расчетных значений модуля упругости земляного полотна автомобильных дорог южной части Дальнего Востока. Хабаровск, 1971. - 84 е.;

- Предложения по уточнения дорожно-климатического района -рования территории Дальнего Востока. Хабаровск, 1978. - 136 е.;

- Рекомендации по совершенствованию методов борьбы с пучинами при ремонте автомобильных дорог. М., 1991. - 87 е.;

- Рекомендации по повышению устойчивости откосов высоких подтопляемых насыпей с использованием ребристых плит. Хабаровск, 1994. - 24 с.

АгшсхЗавдя работы. Материалы диссертации были доложены на первом Всесоюзном совещании по мерзлотоведению (1970 г.), на УШ Всесоюзном совещании дорожников "Основные направления научно-технического прогресса в дорожном строительстве и задачи дорожных организаций на ближайшую перспективу и до 2010 года"; на XXX и XXXI научно-исследовательских конференциях Московского автомобильно-дорожного института (1972,1973 гг.); на XXX научной конференции Ленинградского инженерно-строительного института (1972 г.); на УШ-ХХУ научно-технических конференциях Хабаровского государственного технического университета (19701993 гг.); на научно-технических совещаниях дорожной отрасли дальневосточного региона в 1990 и 1995 гг.

Публикации. По материалам диссертации получено четыре авторских свидетельства, опубликовано восемнадцать научных статей, одно учебное пособие и издана монография "Автомобильные дороги дальнего Востока" (М.: Транспорт, 1994).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, библиографического списка и приложения с актами о внедрении результатов исследований. Основной текст изложен на 256 страницах машинописного текста и иллюстрирован 48 рисунками и 32 таблицами. Список литературы включает 241 наименований, из них 26 - на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан обзор современных методов регулирования водно-теплового режима земляного полотна. Обзор охватывает наиболее значительные работы, выполненные А.П.Васильевым, Ю.М.Васильевым, A.M.Глобусом, С.Е.Гречшцевым, Э.Д.Ершовым, И.А,Золотарем, В.Д.Казарновским, М.Б.Корсунским, А.В.Лыковым, В.Н.Ивановым, В.О.Орловым, Н.В.Орнатскям, Н.А.Перетрухияым, Н.А.Пуза-ковым, А.М.Пчелинцевым, А.А.Роде, В.й.Рувинским, В.'Л.Сиденко, Й.И.Суднициным, В.П.Титовым, В.Е.Тригони, А.Я.Тулаевым.И.А.Тю-тюновым, Г.М.Фельдманом, Л.В.Чистотиновьм, З.И.Шелопаевым, Ю.М.Яковлевым и др.

Было отмечено, что высокая степень изученности массообмен-ных процессов в промерзающих грунтах позволяет воспользоваться существующими расчетными методами в их оценке. В природно-климатических условиях рассматриваемого региона, при наличии водо-насыщенных в результате муссонных дождей тонкодисперсных грун-

—• — - - полярный фронт летом; Д - дорожные посты; ■■ - опытные станции; 11а,11б,11в - подзоны II ДКЗ; 1а,1б,1в - подзоны I ДКЗ

Рис 1. Характеристика района исследования

тов, была принята за основу физико-техническая теория, включенная в качестве нормативной в Пособие по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна (к СНиПу 2.05.02-85).

При анализе мероприятий по регулированию водно-теплового режима автомобильных дорог выделено четыре группы: ограничение увлажнения земляного полотна поверхностными и грунтовыми водами; замена или улучшение свойств грунтов; совершенствование дренажной системы; регулирование фронта промерзания дорожной конструкции.

Основополагающим условием обеспечения необходимых прочностных свойств земляного полотна в условиях промерзающих водонасы-щеяных грунтов является обеспечение минимального возвышения низа дорожной одежды над горизонтом расчетных вод в специфических условиях увлажнения земляного полотна муссонными дождями. Величина этого возвышения зависит от многих факторов. Поэтому в работе уделено большое внимание исследованию этого фактора, как наиболее эффективного для регулирования водно-теплового режима.

Уменьшение пучиноопасности местных пылеватых грунтов представляет важную инженерную проблему. Использование химических, электрохимических методов, введение противопучинвых добавок может быть эффективным в определенных инженерно-геологических условиях. Массовость таких мероприятий подлежит глубокой экономической оценке.

В этом плане заслуживают внимания мероприятия третьей группы. Осушение дорожных одежд и земляного полотна в рассматриваемых условиях представляет важнейшую задачу повышения прочности и долговечности автомобильных дорог в регионе.

Четвертая группа мероприятий, направленных на регулирование водно-теплового режима за счет устройства теплоизолирующих слоев, достаточно полно исследована отечественными и зарубежными учеными. Однако в рассматриваемой проблеме не нашли отражение такие важные аспекты, как характер теплопередачи между отдельными слоями, граничные условия теплообмена, влияние составляющих теплообмена на процесс промерзания и оттаивания дорожной конструкции. Кроме того, в анализируемых работах недостаточно внимания уделено вопросу обеспечения равномерности промерзания и оттаивания земляного полотна и его влияния на эксплуатационные условия дренажной системы, особенно выводящих элементов плоскост-

ных дренажей.

Отмеченные обстоятельства представляют исключительную важность в условиях муссонного климата, который обусловливает неравномерное формирование в дорожной конструкции процессов вла-гонакопления, промерзания и оттаивания.

Выравнивание этих негативных процессов должно осуществляться за счет регулирования фронта промерзания дорожной конструкции.

Во второй главе изложена методика проведения исследований. Сложность и многообразие факторов, влияющих на водно-тепловой режим автомобильных дорог в условиях муссонного климата представляют значительную трудность в организации исследований. Важной составной частью работы является установление особенностей водно-теплового режима.

Для определения расчетных параметров водно-теплового режима автомобильных дорог был использован расчетно-вероятностный метод "годо-станций". Наблюдения за водно-тепловым режимом были организованы на эксплуатируемых дорогах.

Участки для организации постов выбирались в наиболее освоенных районах с таким расчетом, чтобы проследить влияние муссонов на водно-тепловой режим автомобильных дорог по мере их ослабления (рис.1). Посты оборудовались дистанционными приборами для определения влажности, плотности и пучения грунта земляного полотна. Наряду с традиционными датчиками для измерения температуры, влажности, плотности и промерзания грунта были впервые применены полупроводниковые и емкостные датчики температуры и влажности конструкции Милютина-Ярмолинского.

Схемы датчиков (рис.2) представляют собой кольцо из интегратора I и гистерезисного компоратора 2. Чувствительным элементом схемы датчика температуры являются четыре германиевых диода Д9К, включенных в цель обратной связи компоратора.

Предложенные схемы обладают большими достоинствами в плане точностных возможностей, так как исключают влияние помех и утечек по подводящим проводникам на чувствительный элемент. Выходной сигнал в схемах формируется с помощью каскада,выполненного на транзисторе по схеме "открытый коллектор". Оба датчика помещены в один герметичный корпус, состоящий из эпоксидной смолы и стеклоткани.

Достоинством предложенных приборов является возможность производства наблюдений в автоматическом режиме.

Результаты наблюдений на опытных дорожных постах были сгруппированы в четыре "годо-станции" и статистически обработаны. В результате получены расчетные параметры водно-теплового режима на эксплуатируемых автомобильных дорогах.

б)

С,

Г

-гп-и

XI-

хт

0

1 2

Выход —

Рис.2. Принципиальные схемы датчиков температуры (а) и влачшости (б)

Исследование мероприятий по регулированию водно-теплового режима осуществлялось на пяти опытных станциях (табл.1).

Помимо опытных станций, по заказам дорожных организаций Амурской, Сахалинской, Камчатской областей, Хабаровского и Приморского краев было разработано и устроено более 30 опытных мероприятий по устранению пучинистых мест при ремонте автоглобиль-ных дорог.

Моделирование процесса промерзания-оттаивания грунта в лабораторных условиях осуществлялось в морозильной камере Ыета , обеспечивающей режим перепада температур от -30 до +50°С.

Характеристика опытных станций

Таблица I

Ме ст орасположение

Год

устройства

Краткая характеристика опытных мероприятий на станции

1971 Секции с последовательной изоляцией земляного полотна от поверхностного увлажнения и верховодки. Секция с теплоизолирующим слоем из твердого пенопласта.

1972 Секция с теплоизолирующим слоем из твердого пенопласта. Секция с теплоизолирующим слоем из стиропорогрунта.

1989 Секция с плоскостным геопесчаным дренажем; секция с электроосмотическими дренажными воронками; секция с поперечными водоотводящими фильтрами; секция с прикромочным геопесчаным дренажем.

1989 Секция с вертикальными геопесчаными дренами; секция с вертикальными геопесчаными дренами, объединенными поперечными водоотводящими фильтрами.

1992 Три секции, включающие, соответственно, укрепление откосов подтопляемой насыпи дорнитом; сплошными бетонными плитами, уложенными на дорнитовую подстилку; ребристыми бетонными плитами на дорнитовой подстилке.

Моделировался процесс промораживания отдельного массива грунта в реальных условиях. Обеспечение граничных условий достигалось за счет обязательной теплоизоляции модели с боков и с низу. Размер модели выбирался в зависимости от задачи эксперимента. Использовались грунтовые модели с максимальными размерами 60x60x100 см. Режим промораживания осуществлялся при постоянной температуре

165 км автомобильной дороги Хабаровск -Комсомольск н/А

24 км участка реконструкции автомобильной дороги Хабаровск - Владивосток

15 км автомобильной дороги Хабаровск -Биробиджан

Подъездная автомобильная дорога к пос. Переяславка

3 км автомобильной дороги Благодатное Долми

-8,1 °С, соответствующей средним условиям начала промерзания в условиях г.Хабаровска.

Режим оттаивания осуществлялся при температуре +3,1 °С из этих же соображений. Действие температуры продолжалось до полного промораживания или оттаивания грунта модели. Температура и влажность в процессе эксперимента фиксировались с помощью датчиков нового поколения.

Экспериментальные работы осуществлялись на основании результатов их планирования. Планирование экспериментальных работ преследовало цель при минимальном количестве опытов (что очень важно при использовании больших грунтовых моделей).получить с требуемой надежностью коэффициенты математической модели.

После установления основных факторов и параметров оптимизации выбиралась форма математической модели и соответствующий ей план эксперимента. План эксперимента записывался в виде матрицы планирования, в которой обозначались номера опытов и соответствующие им уровни факторов в натуратьных и кодированных величинах. Кодирование факторов производилось по простым зависимостям относительно выбранного центра плана.

Для уменьшения систематических ошибок, вызванных случайными контролируемыми факторами все опыты были рандом зированы по времени и последовательности их выполнения. Для этого обычно использовалась таблица случайных чисел.

Обработка результатов экспериментов выполнялась по специально разработанной программе. Программа включала в себя три модуля, работающих в единой системе с реализацией регрессионно-корреляционного анализа и графической интерпретацией полученной математической модели.

Первый модуль программы разработан на основе метода наименьших квадратов и является аналогом программ статистической обработки результатов эксперимента, реализованных на ЕС ЭШ.

Второй модуль является развитием первого и предназначен для графической иллюстрации полученных математических зависимостей на персональных компьютерах с соответствующими графическими адаптерами и возможностями ПЭВМ.

Третий модуль позволяет графически проследить картину исследуемого процесса и получить на экране монитора ход изменения параметров в виде изолиний и графиков (рис.3).

Ребро Купол -1,60 1,70

0,10 2,60

0,10 3,40

1,80 2,50

Рис.3. Пример графической интерпретации температурного поля грунтов модели под ребристой плитой спустя 3,8 суток с начала промерзания при градиенте температуры -8,1 °С

Разработанная программа является принципиально новым развитием программы регрессионно-корреляционного анализа, и позволяет в диалоговом режиме реализовать математическую обработку результатов экспериментов, что ранее в системе ЕС ЭШ не представлялось возможным.

В третьей главе дается анализ особенностей водно-теплового режима автомобильных дорог в условиях муссонного климата.

Муссоаные ветры формируют на территории южной части Дальнего Востока (см.рис.1) особые климатические зоны, не укладывающиеся в принятую классификацию дорожно-климатического районирования. Территория региона находится в зоне перехода от районов с распространением многолетней мерзлоты к районам с сезонным промерзанием грунтов. Причем, граница между I и П до-рожно-климатическими зонами здесь практически совпадает с положением летнего полярного фронта.

Перенос большого количества тепла и осадков летними мус-сонными нарушает геокриологическое равновесие в пограничных районах, в силу этого здесь наблюдается большая неравномер-

ность климатических параметров. Отмеченное обстоятельство значительно усугубляется наличием тахт крупных горных образований, как хребет Сихотэ-Алинь, Буреинский, Хинганский и Бад-жальокий хребет.

В силу отмеченных факторов весьма важно ввделить типичные районы для осуществления дорожно-климатического районирования. Использовать принцип ландшафтного районирования в таких сложных условиях не представляется возможным, поэтому районирование выполнено на основе следующих обобщающих показателей: значений минимальных и максимальных те>чператур асфальтобетонных покрытий; глубины промерзания земляного полотна, расчетной влажности грунта земляного полотна и показателей, характеризующих условия движения в зимнее время.

Расчетные значения влажности и коэффициента уплотнения грунта земляного полотна (табл.2) на эксплуатируемых дорогах характеризуются большой дисперсностью, что подчеркивает определяющее влияние муссонных ветров на формирование водно-теплового режима автомобильных дорог.

Таблица 2

Расчетная влажность и коэффициент уплотнения грунта земляного полотна под усовершенствованными покрытиями на эксплуатируемых автомобильных дорогах

Наименование Территория,для которой получены расчетная влажность и коэффициент уплотнения Возвышение дорожной одежды, м Расчетные значения

"годо-станций" влажности пьшева-тых суглинков, % от границы текучести коэффициента уплотнения

Приморская Юго-восточней линии пос. Терней - сЛугуевка -с.Михайловка - п.Пограничный,южная часть О.Сахалин 0,7-0,8 0,8-0,9 85 78 0,95 0,96

Хабаровская южная Районы западных отрогов хребта Сихотэ-Алинь до границы с Приморской "годо-станцаей" 0,7-0,8 0,8-0,9 81 76 0,95 0,97

Хабаровская центральная Районы Средне-Амурской и Нижне-Амурской равнины 0,7-0,в 0,8-0,9 74 74 0,97 0,98

Окончание табл.2

Наименование "годо-станций" Территория,для которой получены расчетная влажность и коэффициент уплотнения Возвышение дорожной одежды,м Расчетные значения

влажности пыле-ватых суглинков, % от границы текучести коэффициента уп-лот-нения

Амурская Юго-восточная часть Зейско-Буреинской равнины 0,7-0,8 0,8-0,9 76 72 0,97 0,99

Б районах с муссонным климатом поверхностные источники увлажнения являются преобладающими в общем объеме влагонакопле-ния.

Для исследования влияния механизма влагонакопления на опытной станции Л I, построенной на 165 км автомобильной дороги Хабаровск - Комсомольск, были устроены прерывающие экраны из полиэтиленовой пленки для последовательной изоляции грунта от отдельных источников увлажнения. На опытных секциях была осуществлена изоляция грунта от поверхностного увлажнения через дорожную одежду и обочины, а также от капиллярно-пленочного увлажнения экранами, устроенными на глубине 0,3 и 0,5 м от низа одежды. Горизонт верховодки в пределах опытной станции располагался на глубине 1,3-1,5 м от низа дорожной одежды.

В результате исследования характера увлажнения земляного полотна атмосферными осадками выявлены некоторые его особенности (рис.4) по сравнению с установленными В.И.Рувинским для европейской части России.

В.И.Рувинский установил три периода влагонакопления грунта земляного полотна атмосферными осадками. Первый период начинается осенью с момента влагонакопления в земляном полотне и заканчивается зимой при устойчивом промерзании грунта, второй имеет место при оттаивании грунтов под проезжей частью и обочинами во время зимних оттепелей, третий начинается весной с момента оттаивания рабочего слоя земляного полотна и заканчивается когда испарение воды превышает впитывание ее в грунт.

В рассматриваемых условиях картина существенно видоизменяется. В первую очередь это относится к количеству периодов влагонакопления. Здесь можно выделить только один ярко выра-

женный период - первый, причем, характер его протекания такие несколько отличается от аналогичного в европейской части России.

Особенностью этого периода является его продолжительность. Он начинается в конце июля и заканчивается в середине сентября. Довольно продолжительное время перед началом промерзания наблюдается "просыхание" верхних слоев грунта земляного полотна. Это объясняется резким снижением количества осадков (на порядок по сравнению с итаем-автустом) и довольно высокими температурами воздуха (средняя температура воздуха в октябре месяце в районе г.Хабаровска составляет 4,3 °С), при большой солнечной радиации и безоблачном небе такое сочетание климатических условий приводит к существенному просыханию грунта земляного полотна.

Рис.4. Характер увлажнения земляного полотна атмосферным

осадками и изменения его плотности

Второй период увлажнения грунтов атмосферными осадками в регионе полностью отсутствует. Здесь наблюдается устойчивое промерзание без оттепелей и связанной с ним режеляцией, кото-

рая существенно влияет на водно-тепловой режим автомобильных дорог европейской части России.

Третий период увлажнения атмосферными осадками оказывает несущественное влияние на увеличение влажности рабочего слоя в период оттаивания земляного полотна. Во-первых, это объясняется особенностью радиационного режима территории и ничтожным (по сравнению с летними муссонами) количеством атмосферных осадков. За счет высокой солнечной радиации снег с поверхности автомобильных дорог исчезает еще до начала оттаивания дорожной одежды.

Специфические особенности режима увлажнения грунта земляного полотна атмосферными осадками в регионе необходимо правильно учитывать. Во-первых, необходима тщательная подготовка автомобильных дорог к сбросу атмосферных осадков во время муссонных дождей. Во-вторых, необходимо использовать осенний период просыхашя для уменьшения предзимней влажности грунта земляного полотна. Мероприятиями, позволяющими реализовать эту природно-климатическую особенность, являются различные дренажные устройства, в частности предложенные автором комбинированные геопесчаные дренажи.

Если приток воды в грунт земляного полотна от атмосферных осадков можно уменьшить за счет правильного содержания автомобильных дорог и рациональной конструкции подстилающего слоя дорожной одежды, то предотвратить увлажнение земляного полотна от верховодки значительно сложнее.

Как показали наблюдения (рис.5), уровень, верховодки связан с муссонными дождями. Максимальные уровни наблюдаются в конце сентября.

Повсеместное распространение верховодки является следствием обильных муссонных дождей. Ее формирование во многом определяется тяжелым составом грунтов покровных отложений. В соответствии с Пособием к СНиПу 2.05.02-85, основным источником увлажнения рабочего слоя земляного полотна следует признать капиллярное от горизонта верховодки.

Для участков дорог, проектируемых в насыпи высотой менее 1,5 м, а также в выемках нужно принимать высоту капиллярного покрытия по формуле:

= 1>01 (<{*(»> + Я то) + Я7т + &(«»)/(4рв $) , (1)

о —

где 1,01 - величина, учитывающая температуру воды 5 С;

/7 щ 1У

^'ксюи > Цксп) - удельные движущие силы менисков воды

при температуре 10 °С соответственно в 1,П,Ш,1У группах капилляров грунта, па ; р8 - плотность воды, кг/м3; £ - ускорение свободного падения, м/с2.

4 120 1 •ч <0 О 5, 50 - «а § 60 -<и а 30 - ч о 0 111111 о,о г> I V" \ .оа 1

Ць I / \ > \

1,0 / У / \ \

2,0 вер. 080 цма / \ \

Месяц 1 и III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Рис.5. График изменения уровня верховодки на опытной

станции № I

Например, для самого неблагоприятного грунта - легкого пы-леватого суглинка при его плотности 0,96 имеем:

Ик = 1,01(250+185+160+140)100-4.1000.9,8 = 1,89 м В Пособии к СНиПу 2.05.02-85 "безопасная" глубина залегания верховодки от верха покрытия проезжей части осенью перед промерзанием земляного полотна определяется выражением:

Ms.yp.CDC) - + ь пр + , (2)

где Инд - толщина дорожной одежды, м; Ипр - глубина промерзания земляного полотна от низа дорожной одежды, м; Ик -высота капиллярного поднятия воды в грунте, м.

Анализ выражения (2) показывает, что в рассматриваемых условиях муссонного климата, при неблагоприятных тонкодисперсных пылеватых грунтах, основным типом увлажнения рабочего слоя земляного полотна является третий.

Отличительной особенностью водно-теплового режима автомобильных дорог рассматриваемого региона является режим оттаива-

ния грунта земляного полотна. Для центральных районов европейской части России сумма градусо-суток тепла за период оттаивания составляет 100-150 градусо-суток (затяжная весна), в исследуемом регионе она повсеместно превышает 200 градусо-суток (бурная весна). Прямая солнечная радиация здесь в этот период почти в два раза выше, чем на территории европейской части России. Процесс неравномерного оттаивания земляного полотна усугубляется различной отражательной способностью покрытая и обочин. В реальных условиях (рис.6) отставание оттаивания земляного полотна под обочинами составляет около 10 суток.

Рис.6. Ход оттаивания грунта земляного полотна на 3 км автомобильной дороги Благодатное - Долми:

1-покрытие из двухслойного асфальтобетона - 10 см;

2-основание из щебня, устроенное по методу заклинки - 16 см; З-песчано-гравийный подстилающий слой - 25 см; 4-присыпные обочины; 5-грунт земляного полотна - легкий, пылеватый суглинок - 1,07 м

В этот период не работают выводящие окончания дренирующих слоев, под дорожной одеждой располагается донник из мерзлого грунта,а оттаявший грунт подвергается интенсивному тиксотроп-ному разулрочению под воздействием динамической нагрузки от подвижного состава. Вводимое в практику ограничение движения в это время по дорогам, как правило, запаздывает, а дорожная одежда интенсивно разрушается.

На основании анализа особенностей водно-теплового режима были разработаны мероприятия по его регулированию табл.3).

Таблица 3

Мероприятия по регулированию водно-теплового режима автомобильных дорог

Особенности природно-климатических условий

Мероприятия по устранению вредного воздействия природно-климатических факторов

Степень новизны предлагаемых решений

Избыточное увлажнение грунтов муссонными дождями

Неравномерное промерзание, оттаивание и пучение дорожной конструкции

Поднятие насыпи на безопасную высоту. Устройство морозозащитных слоев. Замена пучияис-тых грунтов. Совершенствование системы осушения земляного полотна: плоскостные и вертикальные геопесчаные дренажи, электроосмотические воронки, поперечные водоотводя-щие фильтры. Капиллярно-прерывающие слои из гидрофобизиро-ванных дисперсных материалов и отходов промышленности

Регулирование фронта промерзания и оттаивания дорожной конструкции за счет устройства теплоизолиругадих слоев, изменения альбедо покрытий и обочин, устройства воздушных прослоев и слоистых экранов.

Введение в пучиноопас-ные грунты компенсирующих пучение добавок

Традиционные методы

Новизна предлагаемых конструкций подтверждена авторскими свидетельствами

Предложено использовать новую технологию газовой активации дисперсных материалов. При незначительном расходе вяжущего ТО,5 % от объема) материал приобретает гидрофобные свойства.

Впервые исследовано влияние слоистых экранов из дорнита и прослойки, создаваемой ребристой плитой на водно-тепловой режим откосной части земляного полотна.

Впервые исследовано влияние компенсационных включений в виде гранул стиропора на объемное пучение грунта.

В четвертой главе рассмотрены теоретические предпосылки регулирования фронта промерзания в дорожной конструкции.

Особенностью регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог является то обстоятельство, что климатические факторы имеют независимый характер и на них нельзя повлиять в процессе эксплуатации. В первую очередь к таким факторам отно-

сится ход температуры воздуха при промерзании и оттаивании,величина солнечной радиации, скорость ветра и др. Обусловленный природно-климатическими условиями ход температур воздействует на конкретную дорожную конструкцию. В результате этого взаимодействия образуется температурное поле, которое в последующем определяет все неблагоприятные элементы водно-теплового режима: неравномерное промерзание и оттаивание, температурные трещины, пучинные деформации и др. Именно за счет неравномерного температурного поля в дорожной конструкции возникает масса неблагоприятных явлений. Избежать подобных неблагоприятных явлений можно за счет такого конструирования покрытия дорожной одежды и земляного полотна, при котором достигается максимальное снижение вредного температурного воздействия климатических факторов.

Температурное поле в дорожной конструкции всегда переменно за счет различных теплофизических я светоотражающих свойств материалов проезжей части и обочин.

В этой связи представляет значительный интерес разработка мероприятий для регулирования фронта промерзания в дорожной конструкции. Благодаря регулированию фронта промерзания можно решать следующие задачи:

обеспечивать равномерное промерзание земляного полотна под проезжей частью и обочинами, что обусловит равномерное пучение дорожной одежды;

обеспечивать опережающее оттаивание дренирующего слоя под обочинами, что позволит эффективно отводить свободный избыток грунтовой воды при последующем (запаздывающем) оттаивании грунта под проезжей частью;

создавать искусственное замедление скорости оттаивания грунта земляного полотна, что исключит пиковый характер его весеннего разупрочения;

исключать образование ядра водонасыщенного грунта под проезжей частью при эксплуатации автомобильных дорог в весенний период;

обеспечивать устойчивость откоса высоких насыпей и глубоких выемок в переувлажненных пучинистых грунтах;

осуществлять направленное перераспределение шаги при промерзании грунтового массива, осушая, например, грунт под проезжей частью земляного полотна;

осуществлять направленное перераспределение влаги при промерзании грунтового массива у опор мостов для предотвращения их выпучивания и другие мероприятия, направленные на снижение льдонаколления в отдельных частях земляного полотна автомобильных дорог и искусственных сооружений на них.

Рассмотрим некоторые пути реализации предложенной идеи.

Распространенный способ регулирования водно-теплового режима за счет устройства теплоизолирующих слоев предназначается для обеспечения морозоустойчивости дорожной конструкции. С помощью теплоизоляции уменьшается глубина промерзания а тем самым ограничивается величина морозного пучения грунта земляного полотна.

Принципиальное отличие предлагаемой концепции,от используемой ранее, заключается в следующем (рис.7),

12 4 3

Рис. 7. Пример регулирования температурного поля дорожной конструкции устройством теплорегулирутацего слоя: 1-покрытие; 2-основание; 3-подстилающий слой; 4-слой для создания теплового поля требуемой конфигурации; 5,6-ход промерзания-оттаивания традиционной и опытной конструкции

За счет теплорегулирукдего слоя выравнивается год промерзания земляного полотна под проезжей частью и обочинами. Температурное поле при оттаивании формируется так, что обеспечивает запаздывание оттаивания под проезжей частью. Бри этом дренирующий слой под обочинами уже начинает работать, осуществляя эффективное осушение дорожной конструкции. При такой постановке задачи не требуется мощного теплоизолирующего слоя, достаточно уравнять тепловое сопротивление дорожной конструкции под проезжей частью и под обочинами. Для этого необходимо обеспечить следующее условие

ц.о.

05

(3)

где Яд.о. - суммарное тепловое сопротивление дорожной одежды и рабочего слой земляного полотна под проезжей частью; Я0е -суммарное тепловое сопротивление рабочего слоя земляного полотна под обочинами.

Образование теплового поля необходимой конфигурации может достигаться за счет использования в конструкции различных материалов, обладающих необходимыми теплофизическши характеристиками. Автором, например, исследовались пенопласт, стиропоро-грунт, гидрофобазированные дисперсные материалы, воздушные прослойки, экраны из дорнита.

Как уже отмечалось, регулирование водно-теплового режима автомобильных дорог должно адекватно учитывать его особенности. В условиях повышенной солнечной радиации придание различной лу-чепоглощающей способности материалу покрытия и обочин позволит создать температурное поле нужной конфигурации. При этом,осветление покрытия обеспечит его лучшую светоотражательную способность в ночное время, т.е. позволит повысить безопасность движения.

Важной составляющей сложного процесса, формирующего тепловой режим дорожной конструкции, является теплообмен на поверхностях. Тепловой баланс любой поверхности в стационарных и нестационарных условиях может быть представлен на основе закона сохранения энергии уравнением

А^ + + = 0 , (4)

где А^ , , - соответственно, лучистая, конвективная и кон-дуктивная составляющие теплообмена на поверхности.

Степень влияния этих составляющих на теплообмен в дорожной конструкции различна (рис.8), но каждую составляющую теплообмена необходимо учитывать при проектировании земляного полотна и дорожных' одежд.

Рассмотренные схемы теплообмена в дорожной конструкции (табл.4) показывают, что изменение характера теплопередачи в слоях дорожной одежды существенно меняет граничные условия и конфигурацию температурного поля. При конструировании дорожных одежд необходимо стремиться к изменению характера теплового потока за счет предложенных мероприятий.

Пятая глава посвящена вопросам прогнозирования водно-теплового режима в условиях водонасвденных муссоннывд осадками грунтов региона.

Рис. 8. Характеристика принципов регулирования водно-теплового режима переменными температурными полями в дорожной конструкции

Таблица 4

Схемы теплообмена у поверхности слоев дорожной одевды

Условия теплообмена Тепловая схема Пограничный слой Источник тепла Граничные условия

И С ¿а

Тепловой поток поверхности слоя А X С ^ ■ • ■ •'' г 0 0 - + = Р Ш)

Тепловой поток на поверхности верхнего слоя и температура среды X X о ШЩ + + + + ¿¿х 1Х-+Л --А,— Ых х = -к, (1У)

Тепловой поток на поверхности воздушной прослойки /г X а К + + + + ¡а = с'р сИ X - С/Х 'и' в * х е- (Ь + Ь„)

Решение задачи основано на использовании принципа разложения процесса влагонакопления на горизонтальную и вертикальную составляющие. Применительно к двумерному температурному полю, создаваемому ребристой плитой (рис.9), это будет выглядеть следующим образом. В одномерной расчетной схеме процесса влагонакопления В.И.Рувинского, к величине вертикальной составляющей ,2 ) добавляется горизонтальная составляющая ).

При движении капиллярно-подвешенной воды по горизонтальному направлению можно выразить величину расхода этой воды ( <3 ), м3/с), поступающей к границе промерзания под ребрами плиты следующим выражением:

ка - м опт ) К у Со с) Рск(тах) г

х

Км

+

4рв к" о"

Л у, у к

«/ — Щ

К»

_ о —' —"

где согр- площадь поперечного сечения грунта, м ; , Як .

- удельные движущие силы менисков соответственно в 1,П, Ш группах капилляров с капиллярно-подвешенной водой; К*, «1/,

- коэффициенты просачивания воды соответственно в 1,Д и III группах капилляров грунта, м/с; 5 - среднее расстояние, на которое перемещается капиллярно-подвешенная вода, м; £ - ускорение свободного падения, м/с^.

Рис.9. Расчетная схема процесса влагонакопления в условиях

двумерного температурного поля:

1-кашллярная вода; 2-лед из воды, находящейся в грунте до замерзания; 3-связаяяая вода; 4-лед из воды,поступившей из нижележащих слоев грунта в зону промерзания; 5-лед из воды, поступившей из центра к фронту промерзания; 6-слой,в котором свободная вода превращается в лед; 7-давление от веса вышележащего грунта; 8-динзы и кристаллы льда в зоне льдообразования; 9-направлениа миграции капиллярной воды в горизонтальном направлении; 10-направлеяие миграции капиллярной воды в вертикальном направлении; П-устройство,образующее двумерное температурное поле в дорожной конструкции

Включая при совместном расчете величину расхода Рр (с,г) и , получим выражение для определения влажности грунта (доли единицы) под границей промерзания после оттока воды из талого грунта в мерзлый слой при двумерном решении задачи. Для грунта под ребрами плиты имеем:

/ (4рГ°) - Ър(с,г) - Ър(А,и) , ,

ууо _ ------— Р8 , ^

^ Ку^ос) Рск(тах) У„р

где Орсо) - величина расхода пленочной воды, поступающей в мерзлый_слой из талого грунта с влажностью более оптимальной, м3/с; йрСА,г) - среднее значение расхода капиллярно-подвешенной воды, которая может поступить к границе промерзания из грунта, расположенного ниже рассматриваемого слоя л 2 земляного полотна, м^/с; \'пр - скорость промерзания грунта, м/с.

Величина ®р(с,г) . определяемая по формуле (6), не может быть более значения врсо) • В противном случае принимают = ® рСо) • При получении отрицательного значения выражения в скобках принимают

Для грунта в середине плиты имеем:

= - + °рсс*г> Рв. (8) Ку(ос) рск(тах) Vпв гр

Понижение влажности грунта под границей промерзания происходит до величины равной оптимальной влажности. Поэтому значения и не могут быть меньше оптимальной влажности независимо от результатов расчета. _

Входящее в формулы (7) и (8) значение расхода г;оп-

ределяется по известной формуле В.И.Рувинского:_

- - Мопт) К У (ос) Рск(тэх) ^ гр

Яр (Л,*) ~

Включая в расчет величину расхода воды (ЗрСс?), получим выражение для определения среднего за период промерзания значения расхода пленочной воды ( (2р(0)ср , м3/с), поступагацей из талого грунта в мерзлый слой при №0 — М опт ■ Для грунта под ребрами плиты имеем:

— / Q

p(o)cp ~ Ър(А,г) + QpCC,Z) +

(Woc ~ Worm) Кусос) ßcK(max) ЫVnP + _

Для грунта под серединой плиты имеем: QpOep = QpC*.*) ~ ЪрСС,*) + _ „

(Wqc-W опт) К J (ос) рек (max) м гр v пг

+ Рв

(Ю)

(II)

Очевидно, что значение расхода Qp(c,z) не может быть больше величины _ н

(Wac- Ч/опт) К woe) Per (max) гр У'пр

Qp(A,l) + --- . (I2)

j 3

Последующий расчет осуществляется в соответствии с методикой, изложенной в Пособии к СНиПу 2.05.02-85.

Таким образом возможна корректировка расчетного метода прогнозирования водно-теплового режима земляного полотна, положенного в основу Пособия к СНиПу 2.05.02-85 в части учета дополнительного поступления капиллярно-подвешенной влаги при ее двумерном характере перемещения к фронту промерзания. По разработанной методологии был рассчитан пример и осуществлено сравнение с фактическими данными (см.табл.5). Результаты сравнения удовлетворительные.

Таблица 5

Сравнительные результаты влажности и плотности грунта в слое толщиной 0,5 и от поверхности откоса

Период времени Относительная влажность грунта Коэффициент уплотнения грунта

под ребрами под серединой плиты под ребрами под серединой плиты

Летний период перед укладкой плит 0,62 0,62 0,96 0,96

Осенний период перед промерзанием грунта 0,81 0,82 -MI 0,96 0,96 0,96 0,96

Зимний, после промерзания грунта 0,90 0,90 0,71 0,95 0,95 0,96 0,96

Весенний, после оттаивания грунта 0,88 0,82 Ц?7Б" 0,95 0|9Ь 0,96 0)96

Летний, после усадки 0,62 0,62 0,97 üt95 0.97 иу?

Примечание: числитель -знаменатель

рассчитанные теоретически; - измеренные на опытном участке.

В шестой главе обобщены результаты экспериментальных исследований мероприятий по регулированию водно-теплового режима автомобильных дорог в условиях: муссонного климата.

Теоретический анализ показал, что в рассматриваемых условиях основными направлениями в регулировании водно-теплового режима автомобильных дорог являются:

совершенствование системы осушения земляного полотна и дорожных одежд;

уменьшение степени вучиноопасности пылеватых грунтов региона;

регулирование фронта промерзания в дорожной конструкции.

Предложения автора по первой проблеме достаточно полно изложены в Рекомендациях по совершенствованию методов борьбы с пучинами при ремонте автомобильных дорог. Горизонтальные и вертикальные комбинированные геопесчаные дренажи получили опытную проверку и по справкам дорожных организаций широко внедряются в практику улучшения водно-теплового режима новых и эксплуатируемых автомобильных дорог региона.

Значительный интерес представляет использование композиционных материалов на базе пористого наполнителя стиропора для уменьшения степени пучиноопасности грунта и регулирования температурного поля дорожной конструкции.

Исходным продуктом для получения стиропора является бисерный полистирол. Это твердые прозрачные или матовые гранулы (бисер) белого цвета, представляющие продукт суспензионной полимеризации стирола в присутствии преобразователя - изопентана.Размер гранул - 0,5-3,0 мм, коэффициент вспучивания - 5-10. Плотность стиропора - 15-20 кг/м3, водопоглощение по объему - 2-5%, коэффициент теплопроводности - 0,025-0,03 ккал/(м'Ч'°С), прочность на сжатие - 1,2-2,2 кг/см2.

Любой композиционный материал с пористым заполнителем представляет гетерогенную систему, теплотехнические свойства которой можно оценивать коэффициентом теплопроводности. Очевидно, что коэффициент теплопроводности композиции будет зависеть не только от объема пористого заполнителя, теплопроводности грунта и стиропора, но и от характера распределения последнего в смеси. Можно ввделить следующие схемы распределения стиропора в грунте:

- тонкими непрерывными прослойками;

- крупными групповыми включениями;

X = Л.

(13)

- мелкими упорядочньми включениями, рашомерно распределенными по объему смеси.

Первые две схемы значительно усложняют технологию получения я снижают однородность смеси. Кроме того, они не позволяют получить материал с равномерно распределенными "компенсационными" порами.

В силу названных причин была использована третья схема получения композиционных материалов. В этом случае коэффициент теплопроводности смеси можно рассчитывать по формуле: ' . _4 + Я/Х-м_

где Л. , Ас , А.м - коэффициенты теплопроводности композиции, стиропора и грунта; Ус - объем добавки стиропора в грунт.

При исследовании установлено, что добавка стиропора в количестве 10-50 % (по объему) значительно улучшает свойства пыле-ватых грунтов.

Физическая сущность этого явления заключается в следующем. Известно, что пучение грунта обусловлено льдообразованием, причем, в пучинистых грунтах образуются ледяные прослойки и линзы, раздвигающие грунтовые частицы и агрегаты. Замерзающий грунт земляного полотна можно рассматривать как многофазную систему, состоящую из грунтовых частиц объемом П г, порового воздуха объемом П0 и замерзающей воды Пл. При достаточном объеме пор, заполненных воздухом, замерзающая вода не вызывает пучение грунта, т.е. увеличение объема воды при переходе в лед компенсируется в воздушных порах (на это указывают Э.Д.Ершов, В.И.Рувин-ский и др. исследователи). Однако при более высокой влажности грунта, в процессе миграции влаги к границе промерзания объем открытых воздушных пор может уменьшаться до нуля и в этом случае пучение неизбежно. Если создать искусственные поры объемом Пи , которые бы не заполнялись водой при промерзании, то тогда можно придать грунту необходимую морозоустойчивость. Именно гранулы стиропора и выполняют эту роль резервных замкнутых пор. Водостойкость и деформативность стиропора обеспечивает обратимость деформации в процессе многократного цикла: замерзание-оттаивание грунта.

Отношение объема резервных (ненасыщенных водой) пор к объему замерзающей воды применительно к бетону было названо "компенсационным фактором". Аналитически "компенсационный фактор" можно представить в виде выражения:

Фк = ( пе + Пц)/ пм . (14)

Почти все поры стиропора являются закрытыми, поэтому за И,-можно было бы считать весь объем его добавки в грунт. Однако это предположение справедливо при условии полного сжатия гранул стиропора. При многократном замерзании и оттаивании грунта должна быть обеспечена обратимость деформации гранул стиропора. Это возможно при условии, когда только часть объема стиропора п. компенсирует расширение объема замерзающей грунтовой воды, т.е. компенсирующая способность добавки стиропора объемом Ус в грунт будет составлять п Ус „ Значение коэффициента п зависит от размера гранул стиропора и его деформатив-ной способности. С учетом отмеченного, формула (14) может быть представлена в виде

фк = (п8 + пУс)/п^ . (15)

Исследование лабораторных моделей позволило установить величину пучения в зависимости от компенсационного фактора

1пуч = 4,09 Пл Н есср (-дФн), <16)

где 1 п>ч - пучение, см; Пл - объем замерзающей воды в долях единицы; Н - толщина слоя льдоввделения, см; {] - гидрологический коэффициент, учитывающий минералогический состав грунта. Для исследованных каолино-гидрослюдистых грунтов Г| равен 1,76.

Минимальный объем добавки стиропора в грунт может быть получен по формуле (16) из условия допустимого морозного пучения покрытия автомобильной дороги.

Проведенные исследования позволили подтвердить теоретическую возможность введения компенсационных добавок в пучинистые грунты региона.

Понятно, что широкое применение этого принципа возможно при наличии более качественных добавок, чем гранулы стиропора. Недостатком исследованного материала является его высокая электролизованность, очень малая плотность, недостаточная де-форлативность. Однако, отмеченные недостатки исследованной компенсационной добавки не препятствуют ее использованию в ограниченных объемах для обратной засыпки фундаментов искусственных сооружений и других инженерных решений в сложных грунтово-гидрологических и геокриологических условиях.

Характерным мероприятием, подтверждающим эффективность предложенного принципа регулирования водно-теплового режима за

счет изменения условий теплообмена в дорожной конструкции, является использование ребристых плит для регулирования водно-теплового режима откосной части земляного полотна.

Исследование этого мероприятия при укреплении откосной части земляного полотна на подтопляемой пойле автомобильной дороги Благодатное - Долми позволило получить хорошие результаты.

Одним из главных положительных моментов рассматриваемого мероприятия является увеличение времени тепловлагообмена при промерзании откоса земляного полотна, укрепленного ребристыми плитами. Увеличение времени тепловлагообмена обеспечивает перемещение влаги от центра к ребрам шит. Таким образом, осуществляется сотовое армирование откоса и обеспечивается его устойчивость. Гидрогипсы влажности грунта подтверждают это положение (рис.10). Так, после замыкания нулевой изотермы под куполом плиты (на 20 сутки после начала промерзания) влажность грунта уменьшилась с 0,82 до 0,72 под центром и увеличилась до

Рис.10. Распределение нулевых изотерм при промерзании откосной части земляного полотна на 5,10,15,20 сутки и гидроизогипсы влажности на 20 сутки в грунте откоса под ребристой и сшгошной плитами

На контрольном участке наблюдалось дополнительное перемещение влаги с 0,82 до 0,84 к поверхности откоса.

Картина оттаивания опытной конструкции во многом напоминает обратную промерзанию. Только она менее контрастна. Разница в сроках оттаивания под ребром и куполом плиты по сравнению с промерзанием сокращается на 30 %. Это еще раз подтверждает то обстоятельство, что помимо теплотехнических характеристик ребристой плиты на характер промерзания существенно влияет сорб-ционный гистерезис тещговлагопереноса в режиме замораживания-оттаивания.

Полевые исследования водно-теплового режима откосной части земляного полотна на опытной станции № 5 позволили осуществить оценку предложенной методики прогнозирования. Были рассчитаны параметры водно-теплового режима в условиях двумерного процесса влагонакопления, создаваемого ребристой плитой и сопоставлены с фактическими результатами.

Сравнительные результаты определения влажности и плотности грунта в слое толщиной 0,5 м от поверхности откоса,свидетельствуют о правильности принятых теоретических предпосылок (табл.5).

В седьмой главе рассматриваются особенности регулирования водяо-тедлового режима эксплуатируемых автомобильных дорог.

Как показали результаты обследования, на автомобильных дорогах существующей сети имеют место различные деформации и разрушения (табл.6).

Таблица 6

Состояние автомобильных дорог

Автомобильная дорога Число обследованных Средний срок Поврежденные участки от общей площади покрытий

участков/протяжен-ность.м эксплуатации, лет Выкрашивание, шелушение, выбоины Продольные и поперечные трещины, сетка трещин Волны, наплывы, сдвиги

Хабаровск-Биробиджан 17/3940 4,9 1,2-1,4 2-4 1,52,5

Хабаровск-Владивосток 24/8845 6,3 9,5-10,0 13-14 1,52,0

Хабаровск-Комсомольск 7/1450 8,4 1,4-1,9 8-12 2,03,0

Хабаровск - Находка 5/2000 2,08,0 8,0-13,5 4-6 0,30,5

Окончание табл.6

Автомобильная дорога Число обследованных Средний срок Поврежденные участки, % от общей площади покрытий

участков/протяжен-ность.м эксплуатации, лет Выкрашивание, шелушение, выбоины Про-дольн, и по-перечн. трещины,сетка трещин Волны, наплывы, сдвиги

Уссурийск - Арсеньев 3/900 7,0 5,0-21,0 15-40 5,020,0

Уссурийск-Пограничный 4/1350 5,0 2,6-3,0 20-35 10,0

Угольная - Находка 5/1500 4,5 5,0-17,0 10-32 2,09,0

Деформации и разрушения дорожных одежд обусловливаются различными факторами. Однако, наибольшее число разрушений происходит в весеннее время из-за нарушения водно-теплового режима земляного полотна.

По справкам дорожных организаций (табл.7) ежегодно пучино-образованию подвергается до 10 % дорог. Значительные средства тратятся на ликвидацию последствий пучинообразования.

Таблица 7

Состояние мер борьбы с пучинами по справкам дорожных организаций

Протяженность участков, затраты на ликвидацию пучин, меры борьбы с ними Дорожные организации

Хабаровск-автодор Примор- авто- ДОР Амур-авто-дор Сахалин-автодор

Средняя протяженность пу-чинистых участков,™, на

дорогах: п_ш катеГории 1У категории 120 160 15-20 35-40 20-25 60-70 200 300

Ежегодные затраты на ликвидацию пучин,т.р.(в ценах 1990 года) Более 200 800 300-500 560

Меры борьбы с пучинами на участках протяженностью,

замена лучинистого грунта . 1-3 (при 2-3 ремонте) 2-5

Окончание табл.7

Протяженность участков, затраты на ликвидацию пучин, меры борьбы с ними

Дородные организации

Хаба

ровск-

автодор

Примор-

авто-

дор

Амур-авго-дор

Сахалин-автодор

увеличение высоты насыпи с одновременной очисткой кювета

подсыпка пучинистых участков дренирующим материалом

вертикальный дренаж

подкюветный дренаж

применение геотекстильных материалов (дорни-та)

применение поперечных водоотводявих фильтров

20

10-12

До 0,2 0,8

0,8-1,0

2,4-2,6

20-30 5-10 (при ремонте)

15-20

0,3-0,5 0,8-0,9

15-20 До 0,1

1,0-1,5 0,3-0,9

10-15 10-12

0,2-0,3 0,2-0,6

Основной причиной нарушения водно-теплового режима на эксплуатируемых автомобильных дорогах является недостаточный учет специфических природно-климатических условий и, в первую очередь, характера увлажнения грунтов в результате муссонных дождей.Главным конструктивным недостатком при этом является недостаточное возвышение низа дорожной одежды над повсеместно распространенным горизонтом верховодки. Насыпи запроектированы для условий второго типа местности по характеру увлажнения, хотя в основном распространен третий тип местности.

Б таких условиях основными мероприятиями по улучшению водно-теплового режима эксплуатируемых автомобильных дорог являются такие, которые позволяют обеспечить отвод грунтовой воды из под основания дорожных одежд в период оттаивания земляного полотна и уменьшить величину осеннего влагонакопления за счет совершенствования поверхностного водоотвода. Простое углубление боковых какав даст снижение осеннего влагонакопления на 30-50 %.

Автором разработаны и исследованы различные плоскостные и вертикальные геопесчаные дренажи, которые достаточно подробно изложены в Рекомендациях по совершенствованию методов борьбы с пучинами при ремонте автомобильных дорог.

Отдельные мероприятия, такие как поперечные водоотводящие фильтры, были впервые устроены на опытной станции № 3. Фильтры готовились в виде скруток из нескольких слоев дорнита. Эффектив-

ность и технологичность такого мероприятия по сравнению с устройством поперечного дренажа мелкого заложения очевидна. Не случайно это мероприятие широко применяется при ремонте неустойчивых участков автомобильных дорог в регионе (см.табл.7).

При определенных грунтово-гидрологических условиях (что особенно характерно для Зейско-Буреинской и Средне-Амурской низменностей) эффективным мероприятием является вертикальное дренирование неустойчивых участков автомобильных дорог. Первые опытные конструкции вертикального дренажа были заложены автором в 1968 году на 196 км автомобильной дороги Хабаровск -Владивосток. В процессе исследования этого мероприятия получено авторское свидетельство на устройство геопесчаных дрен. На опытной станции Л 4 исследованы различные схемы устройства вертикальных геопесчаных дрен. Наилучшие результаты получены при расположении дрен в один ряд перпендикулярно оси дороги о объединением их дорнитовой оболочки с поперечнми водоотводя-шими фильтрами.

Конструкция геопесчаного вертикального дренажа подробно изложена в Рекомендациях по совершенствованию методов борьбы с пучинами.

Повышение трансшртно-эксллуагациояяых показателей эксплуатируемых автомобильных дорог должно осуществляться на основе учета динамики природно-климатических условий, хозяйственной деятельности человека и возросших требований автомобильного движения. Для корректировки расчетных параметров, необходимых для осуществления ремонта и реконструкции автомобильных дорог, разработана специальная методика. Основу методики составляет уточнение закона распределения исследуемых величин с учетом изменившихся условий, что позволяет внести соответствующие корреляционные уточнения в расчетные параметры эксплуатируемых автомобильных дорог при осуществлении их ремонта и реконструкции.

Следует отметить, что при ремонте и реконструкции автомобильных дорог гораздо важнее, чем при новом строительстве,обеспечить равномерное промерзание и оттаивание дорожной конструкции. В силу этого, разработанные теоретические предпосылки и исследованные мероприятия по регулированию водно-теплового режима в полной мере относятся к эксплуатируемым автомобильным дорогам.

ОБЩЕ ВЫВОДЫ

1. Решена научная проблема, имеющая важное значение для реализации федеральной целевой программы совершенствования и развития автомобильных дорог Российской Федерации "Дороги России", заключающаяся в рассмотрении ресурсов строительства за счет использования местных неблагоприятных грунтов на основе предложенных мероприятий по регулированию водно-теплового режима.

2. Установлены особенности водно-теплового режима автомобильных дорог в условиях муссонного климата, заключающиеся в:

- преимущественном третьем типе увлажнения рабочего слоя земляного полотна от верховодки, формирующейся в период муссон-ных доддей;

- высокой влажности (0,72-0,85 от границы текучести) и низком коэффициенте уплотнения (0,95-0,97) грунта рабочего слоя земляного полотна на эксплуатируемых дорогах;

- специфическом годовом цикле увлажнения-просыхания грунта рабочего слоя земляного полотна, когда определяющим является осенний период влагонаколления муссонными осадками;

- быстром оттаивании грунта земляного полотна, обусловленном повышенной солнечной радиацией при преимущественно безоблачном небе в весенний период.

3. Ка основании анализа особенностей водно-теплового режима автомобильных дорог в районах с муссонным климатом разработаны теоретические предпосылки его регулирования за счет:

- совершенствования системы осушения грунта земляного полотна;

- регулирования фронта промерзания дорожной конструкции;

- уменьшения степени пучинистости пылеватых грунтов региона.

4. Осуществлена корректировка расчетного метода прогнозирования водно-теплового режима земляного полотна, положенного в основу Пособия к СНиПу 2.05.02-85, в части учета дополнительного поступления капиллярно-подвешенной влаги при ее двумерном характере перемещения к фронту промерзания.

5. В подтверждение теоретических предпосылок осуществлена опытно-экспериментальная проверка мероприятий по:

- совершенствованию системы осушения грунта земляного полотна ;

- регулированию фронта промерзания дорожной конструкции;

- уменьшению степени пучинистости пылеватых грунтов региона.

6. Разработана методика корректировки расчетных параметров водно-теплового режима на эксплуатируемых дорогах, позволяющая учитывать изменение природно-климатических факторов и деструктивное влияние хозяйственной деятельности человека.

7. Исследованы и рекомендованы к применению следующие мероприятия, позволяющие улучшить водно-тепловой режим на неустойчивых участках эксплуатируемых дорог:

- теплоизолирующие слои из твердых пенопластов;

- теплоизолирующие и гидроизолирупцие слои из песков,золо-шлаковых смесей гидроудаления ТЭС и других дисперсных отходов промышленности гидрофобизированных в парогазовой среде активатора;

- плоскостные комбинированные геопесчаные дренажи;

- вертикальные геопесчаные дренажи;

- поперечные водоотводятие фильтры;

- электроосмотические дренажные воронки.

8. Проведенные исследования позволили выявить ряд новых аспектов проблемы регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог. Б первую очередь это относится к введению в рассматриваемую проблему понятия "регулирование фронта промерзания дорожной конструкции". Связанные с реализацией этого понятия теоретические предпосылки введения в конструкцию низ-когеплопроводных включений, изменения характера теплообмена в контактных слоях, диспергирование сплошности теплового потока и др. позволяют внести новые требования при конструировании дорожных одежд, направленные на обеспечение равномерного промерзания и пучения грунта земляного полотна.

9. Использование результатов работы позволило разработать рекомендации по регулированию водно-теплового режима автомобильных дорог в условиях муссонного климата; осуществить кор-рвктироэху дорожно-климатического районирования, которая была выполнена ранее в рассматриваемых условиях весьма схематично без учета влияния муссонных ветров на основные климатообразую-шие факторы региона; получить расчетные значения влажности и плотности грунта земляного полотна на эксплуатируемых автомобильных дорогах.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Нормативно-технические документы и рекомендации

1. Рекомендации по борьбе с пучинами на автомобильных дорогах Сахалинской области. Хабаровск: ЩШ. ХабПй, 1971. 87 с.

2. Уточнение расчетных значений модуля упругости земляного полотна автомобильных дорог гашой части Дальнего Востока. Хабаровск: ДШ1 ХабГИ, 1971. 84 с.

3. Предложения по уточнению дорожно-климатического районирования территории Дальнего Востока. Хабаровск: ДНЯ ХабШ, 1978. 136 с.

4. Рекомендации по совершенствованию методов борьбы с пучинами при ремонте автомобильных дорог/НПО Росавтодор. М.: ЦБНТИ Государственного концерна Росавтодор, 1991. 87 с.

5. Рекомендации по повышению устойчивости откосов высоких подтопляемых насыпей с использованием ребристых плит. Хабаровск: ХГТУ, 1994. 24 с.

Отдельные издания

6. Практический курс эксплуатации автомобильных дорог южной части Дальнего Востока. Хабаровск: ХГТУ, 1992. 129 с.

7. Автомобильные дороги южной части Дальнего Востока (опыт проектирования и эксплуатации). М.: Транспорт, 1994. 151 с.

Статьи в периодических изданиях и сборниках

8. Ярмолинский А.И. Динамика мерзлотно-инженерно-геологичес-ких условий Дальнего Востока/Тезисы Всесоюзного совещания по мерзлотоведению 1970 года. М.: МГУ, 1970. С.127.

9. Ярмолинский А.И. К вопросу изучения водно-теплового режима автомобильных дорог Дальнего Востока//Автомобильные дороги. Вып.28. Хабаровск: ХПИ, 1971. С.54-66.

10. Лесков Е.К., Ярмолинский А.И. Нормальные и касательные напряжения при изучении грунтов//Автомобильные дороги. Вып.28. Хабаровск: Х1Ш, 1971. С.127-130.

11. Татенко Н.Д,, Ярмолинский А.И. К вопросу технико-экономического проектирования оптимальных дорожных конструквдй//Ав-томобильные дороги. Вып.28. Хабаровск: ХПИ, 1971. С.27-40.

12. Ярмолинский А.И. Опытные мероприятия по регулированию теплового режима автомобильных дорог южной части Дальнего Во-стока//Строительство автомобильных дорог. Вып.44. М.: МАДИ, 1972. С.892-893.

13. Тулаев А.Я., Ярмолинский А.И. Применение многофакторного анализа и оценка надежности автомобильных дорог//Строитель-ство и эксплуатация автомобильных дорог Дальнего Востока. Хабаровск: ХПИ, 1973. С.38-48.

14. Ярмолинский А.И. Прогнозирование расчетных параметров автомобильных дорог южной части Дальнего Востока//Строительст-во и эксплуатация автомобильных дорог Дальнего Востока. Хабаровск: ХШ, 1973. С. 48-52.

15. Татенко Н.Д., Кочемасов В.М., Ярмолинский А.И. Понижение фильтрационной способности связных грунтов с помощью искусственного оглеения//Автомобильные дороги и искусственные сооружения в условиях Дальнего Востока и Крайнего Севера. Хабаровск: ХПИ, 1978. С. 163-170.

16. Ярмолинский А.И. Исследование устойчивости низких насыпей с полиэтиленовыми экранами на дорогах Дальнего Востока// Специальные методы регулирования водно-теплового режима земляного полотна в сложных грунтово-гидрологических условиях. М.: СоюздорНИИ, 1980. С.91-94.

17. Ярмолинский А.И. Использование композиционных материалов для обеспечения стабильного геокриологического режима автомобильных дорог в районе БАМа//Эффективные материалы и конструкции в зоне освоения БАМа. Хабаровск: ХПИ, 1981. С.146-150.

18. Ярмолинский А.И., Ярмолинская Н.И. Долговечность асфальтовых бетонов на основе отходов дальневосточных ТЭС//Пути повышения качества, надежности и долговечности конструкций инженерного назначения. Хабаровск: ХПИ, 1988. С.93-96.

19. Собин Г.П., Ярмолинский А.И., Боровиков В.В. О повышении долговечности противопучянных мероприятий//Тезисы докладов ХХШ научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава. Хабаровск: ХПИ, 1988. С.65.

20. Ярмолинский А.И. Важный резерв научно-технического прогресса/Автомобильные дороги, 1988. $ 12. С.21.

21. Сачков A.B., Ярмолинский А.И. Учет динамита экологических условий при эксплуатации автомобильных дорог Дальнего Востока/Тезисы докладов 32 научно-технической конференции. Хабаровск: ХПИ, 1992. С.78-79.

22. Геращенко H.H., Ярмолинский В.А., Ярмолинский А.И. Влияние конструкции и заполнителя ребристых плит покрытия на водно-тепловой режим откосов земляного полотна/Тезисы докладов 32 научно-технической конференции. Хабаровск: ХПИ,1992. С.79-80.

23. Сачков A.B., Ярмолинский А.И. Регулирование водно-теплового режима земляного полотна в условиях многолетней мерзлоты //Экономика Дальнего Востока в условиях перехода к рынку. Хабаровск: ХГТУ, 1993. С.173.

24. Ярмолинский В.А., Кулиш В.И., Ярмолинский А.И. Оценка влажности и плотности грунта откосов земляного полотна в условиях переменных температурных полей//Моделирование и расчеты на прочность искусственных сооружений. Хабаровск: ХГТУ, 1993. С.94-100.

25. Ярмолинский А.И. К построению модели вероятностной корректировки расчетных параметров автомобильных дорог//1Лоделиро-вание и расчеты на прочность искусственных сооружений. Хабаровск: ХГТУ, 1993. С.39-43.

Авторские свидетельства

26. A.C. Ii 1033515 СССР, МКИ 08 95/00; E0I С 7/18. Композиция для устройства дорожной одежды/Попова А.К., Ярмолинский А.И., Ярмолинская Н.И., Попов Е„А. (СССР). № 2949230/2333; Заявл.14.04.80; Опубл.07.08.83. Бш. & 29. 10 с.

27. A.C. № I701824 СССР, МКИ Е 02 Д 3/10. Способ образования дрены/Собин Г.П., Ярмолинский А.И., Доброхотов С.И. (СССР).

№ 4608560/33; Заявл.24.11.80; 0публ.30.12.91. Бш.№ 43. 4 с.

28. A.C. № I6225II СССР, МШ Е 02 Д 3/II. Устройство для электроосмотического осушения грунта основания/Ярмолинский А.И., Собин Г.П., Доброхотов С.И. (СССР). № 4604563/33; Заявл.14.11. 88; Опубл.23.01.91. Бюд. № 3. 5 с.

29. A.C. № 1775084 СССР, МКИ А 01 К 63/00, -25. С/02,01 № 3/02. Устройство для приготовления образцов льда в скважине ледяного покрова/Доброхотов С.И., Ярмолинский А.И., Горбачев В.П. (СССР). № 4840639/13; Заявло19.06.90; Опубл.15.II.92. Бюл. № 42. 8 с.