Снижение прочности земляного полотна в процессе эксплуатации дороги

В процессе эксплуатации дороги под влиянием природных сил и воздействия транспортных нагрузок прочность земляного полотна на участках с неудовлетворительным вводно-тепловым режимом значительно снижается.

Влажность и плотность грунтов в течение года претерпевают существенные изменения, которые отражаются на условиях работы земляного полотна, дорожных одежд и сокращают срок их службы. В них могут возникать деформации, вызванные морозным пучением, оплывами откосов насыпей и выемок, их размывом и т.д. Чтобы вылечить подверженное деформациям больное земляное полотно необходимо знать особенности его водно-теплового режима.

Пучинистыми называют деформации дорожных одежд и земляного полотна, проявляющиеся зимой в виде взбугривания, растрескивания с потерей ровности покрытия, а в период оттаивания - в виде проломов дорожной одежды под нагрузкой из-за снижения прочности переувлажненных грунтов.

Пучины на дорогах возникают при одновременном сочетании трех факторов:

§ наличие пучинистых грунтов;

§ интенсивное влагонакопление до относительной влажности более 0,75 от влажности на границе текучести грунта в период морозного влагонакопления;

§ медленное и глубокое промерзание грунтов под дорожной одеждой (на глубину более 0,5 м.).

При отсутствии любого из этих факторов пучины не возникают.

Процесс пучинообразования проходит последовательно пять стадий.

Первая стадия – начальная, связанная с осенним периодом увлажнения. Влажность верхней части земляного полотна, вследствие инфильтрации свободной воды повышается до W_е ≤ (0,65-0,7) W_т, где W_т – влажность на границе текучести грунта. Стадия продолжается до установления среднесуточной температуры воздуха – 5 °С. В это время пучение еще не наблюдается.

Избыток свободной воды в грунте отсутствует. Модуль упругости грунта при водонепроницаемых покрытиях и хорошем состоянии задернованных обочин всего на 10-15 % меньше, чем летом.

Вторая стадия – зимнее накопление влаги. При промерзании грунта накопленная с осени влага перераспределяется. Под действием разности температур она перемещается наверх. При сильных морозах (скорость промерзания по оси проезжей части не менее 4,5-5,0 см./сутки) граница промерзания опускается быстро и влага не успевает переместиться. Но при медленном промерзании (меньше 2,5 см./сутки) в грунте происходит интенсивное влагонакопление до Wе > (0,75-0,85) Wт и льдообразование, сопровождающееся неравномерным морозным пучением покрытия, приводящим к ухудшению его транспортно-эксплуатационных качеств.

Третья стадия – вымерзание воды из песчаного подстилающего слоя дорожной одежды и установление равновесного состояния влаги в грунтах верхней части земляного полотна. В этот период наблюдается наиболее низкая температура. Глубина промерзания и величина морозного пучения достигает максимума. Влажность земляного полотна практически не изменяется, влажность подстилающего слоя может снижается из-за происходящего вымерзания.

Четвертая стадия – насыщение земляного полотна влагой. По мере оттаивания влажность грунта резко повышается. Одновременно снижается модуль упругости грунта "Е_о". Избыток свободной воды "g", выделяющийся в земляном полотне, отжимается по трещинам и порам грунта в корыто под действием движущихся грузовых автомобилей.

Процесс изменения влажности земляного полотна зависит от скорости оттаивания. В годы с затяжной весной при эффективной работе дренирующего слоя деформации на покрытиях почти не наблюдаются. При дружной весне, характеризуемой скоростью оттаивания 7-8 см./сутки, наоборот, увеличивается количество деформаций на покрытиях из-за снижения прочности грунта и материала подстилающего слоя.

Осадки, выпадающие в период дружной весны, особенно если их количество превышает 60 мм., способствуют дополнительному увлажнению грунтов, которое может достигнуть величины, превышающей (0,85-0,9) W_т.

Пятая стадия – восстановление летнего водно-теплового режима земляного полотна при полном оттаивании за счет высокой испаряющей способности земляного полотна, особенно в насыпях, и снижением уровня грунтовых вод. В грунтах остается лишь, местами капиллярно-разомкнутая (подвешенная) вода, горизонт, которой в центральных и северо-западных районах европейской части страны, обычно расположен глубже 1 м.

Опыт свидетельствует, что постоянная миграция воды в земляном полотне с неблагоприятным вводно-тепловым режимом приводит к тому, что непучинистые грунты постепенно заиливаются и приобретают пучинистые свойства.

Особенно остро пучинообразование проявляется при расположении дорожных одежд в корыте. В таких конструкциях морозозащитные слои остаются защемленными грунтом земляного полотна. За срок службы 15-20 и более лет песчаные морозозащитные слои значительно теряют фильтрующую способность (ниже Кф < 0,2 м./с.). Последние исследования показали, что и в щебеночных основаниях за 10-20 лет службы (особенно из малопрочных каменных материалов – марок 300-400) образуются слои из мелкозема толщиной в 30-70 % от толщины слоя основания. Эти материалы притягивают влагу и тоже способствуют образованию пучин.

Циклическое изменение водно-теплового режима земляного полотна, особенно в зоне хвойно-лиственных лесов с подзолистыми и заболоченными грунтами, может сопровождаться также усиленным протеканием процессов оглеения.

Происходит это, в основном, на дорогах с водонепроницаемыми покрытиями из-за того, что с течением времени существенно уменьшается воздухообмен грунтов верхней части земляного полотна с атмосферой. В условиях повышенной влажности грунта пылеватые покровные суглинки через 15-20 лет превращаются в оглеенные. Связные грунты как бы "стареют" в земляном полотне, прочность их постепенно снижается.

Откосы глубоких выемок и высоких насыпей также подвержены деформациям. К ним относят:

§ сползание дернового покрова по откосу выемки (в связных грунтах после оттаивания);

§ воронкообразные или трубчатые выносы, которые образуются в местах выклинивания грунтовой воды или размывов на участках, где песок залегает под менее фильтрующим грунтом;

§ поверхностные сплывы пластических грунтов при значительном расходе просачивающейся из откосов грунтовой воды.

Природа поверхностных деформаций выемок и высоких насыпей чаще всего связана с образованием в грунте в течение зимы ледяных линз и прослоек, ориентированных параллельно откосам, т.е. поверхностям, по которым происходит теплообмен. При оттаивании, особенно в дождливое время, когда грунт дополнительно насыщается влагой, верхняя часть откосов сползает. Плоскость сползания обычно совпадает с границей сезонного промерзания.

Плохо уплотненное земляное полотно подвержено размывам, особенно при отсыпке его из макропористых грунтов, черноземов и пылеватых грунтов в районах с большим количеством выпадающих осадков и пересеченным рельефом местности. В степных районах и центральных черноземных областях, нередки случаи, когда неукрепленные водоотводные канавы при продольном уклоне, превышающем 20-30 ‰, в течение года превращаются в глубокие рвы.

Дата добавления: 2015-04-24