Учет водно-теплового режима при проектировании верхней части земляного полотна

Под вводно-тепловым режимом земляного полотна понимают характер изменения во времени влажности и температуры грунта под воздействием погодно-климатических факторов, влияющих на рабочий слой. Изменение влажности и температуры сопряжено со вторичными процессами: набуханием и усадкой, морозным пучением и просадкой при оттаивании, просадкой при замачивании, изменением плотности, прочностных и деформационных характеристик грунта. В конечном итоге через вторичные процессы водно-тепловой режим оказывает влияние на изменения прочности дорожной одежды, ее ровности и долговечности.

Верхняя часть земляного полотна (рабочий слой) должна быть запроектирована таким образом, чтобы обеспечивалась требуемая прочность этого слоя (сопротивление нагрузкам) и его устойчивость (стабильность), под которой понимается исключение недопустимых деформаций в результате воздействия погодно-климатических факторов.

При оценке водно-теплового режима большое значение имеет учет источников увлажнения рабочего слоя. Различают три расчетные схемы увлажнения верхней части земляного полотна (табл. 11.12).

Расчетные схемы увлажнения верхней части земляного полотна

Номер схемы и источники увлажнения рабочего слоя	Условия отнесения к данному типу
1. Атмосферные осадки	Для насыпей на участках 1-го типа местности по условиям увлажнения (см. табл. 11.11)
Для насыпей на участках 2-го и 3-го типов по условиям увлажнения: при возвышении поверхности покрытия над расчетным уровнем грунтовых и поверхностных вод или над поверхностью земли не менее, чем в 1,5 раза превышающем требования табл. 11.15.
Для насыпей на участках 2-го типа при расстоянии до бровки земляного полотна от уровня поверхности воды (отсутствующей в летний период не менее 2/3 этого периода) более 5-10 м при супесях, 2-5 м при легких пылеватых суглинках и 2 м при тяжелых пылеватых суглинках и глинах (меньшие значения следует принимать для грунтов с большим числом пластичности; при залегании различных грунтов принимать наибольшие значения).
В выемках в песчаных и глинистых грунтах в I-III дорожно-климатических зонах при уклонах кюветов более 20 % и при возвышении поверхности покрытия над расчетным уровнем грунтовых вод более чем в 1,5 раза превышающем требования табл. 11.15
При применении специальных методов регулирования водно-теплового режима (капилляропрерывающие, гидроизолирующие, термоизолирующие и армирующие прослойки, дренаж и т.п.), назначаемых по специальным расчетам
2. Кратковременно стоящие (до 30 сут.) поверхностные воды; атмосферные осадки	Для насыпей на участках 2-го типа местности по условиям увлажнения (см. табл. 11.11) при возвышении поверхности покрытия не ниже требований табл. 11.15 и не более, чем в 1,5 раза превышающем эти требования и при крутизне откосов не менее 1; 1,5 при простом (без берм) поперечном профиле насыпи.
Для насыпей на участках 3-го типа местности и при применении специальных мероприятий по защите от грунтовых вод (капилляропрерывающие и гидроизолирующие слои, дренаж), назначаемых по специальным расчетам, отсутствии длительно (более 30 сут.) стоящих поверхностных вод и выполнении условий предыдущего абзаца.
В выемках в песчаных и глинистых грунтах в I-III зонах при уклонах кюветов менее 20 ‰ и возвышении поверхности покрытия над расчетным уровнем грунтовых вод более чем в 1,5 раза превышающем требования табл. 11.15
3. Подземные или длительно (более 30 сут.) стоящие поверхностные воды; атмосферные осадки	Для насыпей на участках 3-го типа местности по условиям увлажнения (см. табл. 11.11) при возвышении поверхности покрытия, отвечающем требованиям табл. 11.15, но не превышающем их более чем в 1,5 раза.
То же для выемок, в основании которых имеется уровень грунтовых вод, расположение которого по глубине не превышает более чем в 1,5 раза требований табл. 11.15

Сущность учета водно-теплового режима при проектировании земляного полотна заключается в том, чтобы обеспечить при возникающем в конструкции водно-тепловом режиме заданную прочность и устойчивость (стабильность) рабочего слоя. При этом могут быть реализованы два принципа проектирования:

проектирование, исходя из заданного тем или иным способом уровня прочности и стабильности рабочего слоя (например, уровня, обеспечивающего возможность применения заданной типовой конструкции дорожной одежды);

проектирование конструкции рабочего слоя совместно с конструкцией дорожной одежды в целях оптимизации проектного решения. Для создания оптимального водно-теплового режима необходимо его регулирование. Наиболее простой метод регулирования предусматривает выполнение одновременно трех условий: применение в пределах рабочего слоя грунтов, обладающих повышенной устойчивостью к воздействию погодно-климатических факторов; обеспечение требуемой степени уплотнения этих грунтов; обеспечение требуемого возвышения земляного полотна над расчетным уровнем подземных и поверхностных вод или над уровнем земли (на участках местности 2-го типа).

Для обеспечения первого условия в верхней части рабочего слоя следует использовать устойчивые грунты в соответствии с табл. 11.13.

Грунты, допускаемые в верхнюю часть рабочего слоя при простейшем способе регулирования воднотеплового режима

Дорожно-климатическая зона	Рабочий слой до глубины от поверхности покрытия, м	Допускаемый грунт
II	1,2/1,0	Непучинистый или слабопучинистый (I и II группы по пучинистости, см. табл. 11.15, 11.6)
III	1,0/0,8	Тоже
IV-V	1,0/0,8	Ненабухающий (см. табл. 11.4), непросадочный (см. табл. 11.3)

Примечание. В числителе - при цементобетонных покрытиях, в знаменателе - при асфальтобетонных.

Для соблюдения второго условия степень уплотнения грунта рабочего слоя должна отвечать требованиям, приведенным в табл. 11.14.

Часть земляного полотна	Глубина расположения слоя от поверхности покрытия, м	Капитальные дорожные одежды	Облегченные и переходные дорожные одежды
Дорожно-климатические зоны
I	II-III	IV-V	I	II-III	IV-V
Рабочий слой	До 1,5	0,98-0,96	1,00-0,98	0,98-0,95	0.95-0,93	0,98-0,95	0,95
Неподтапливаемая часть насыпи	1,5-6,0 Более 6,0	0,95 0,93-0,95	0,95 0,98	0,95 0,95	0,93 0,93	0,95 0,95	0,90 0,90
Подтапливаемая часть насыпи	1,5-6,0 Более 6,0	0,96-0,95 0,96	0,98-0,95 0,98	0,95 0,98	0,95-0,93 0,95	0,95 0,95	0,95 0,95
В рабочем слое выемки ниже зоны сезонного промерзания	До 1,2 До 0,8	- -	0,95 -	- 0,96-0,92	- -	0,95-0,92 -	- 0,90

Примечания: 1. Большие значения коэффициента уплотнения грунта принимают в случаях применения цементобетонных покрытий и цементогрунтовых оснований, а также при дорожных одеждах облегченного типа, меньшие - во всех остальных случаях.

2. В районах поливных земель при возможности увлажнения земляного полотна требования к плотности принимают такими же, как указано в графе для II-III дорожно-климатических зон.

3. В IV-V дорожно-климатических зонах следует рассматривать вопрос о повышении плотности грунта по сравнению с данными таблицы при соответствующем технико-экономическом обосновании и при условии защиты связного набухающего грунта от дополнительного увлажнения в процессе эксплуатации. Для V зоны следует предусматривать повышение степени уплотнения (до 1-1,05) верхней части рабочего слоя толщиной 0,2-0,3 м. То же следует предусматривать на дорогах I категории во всех дорожно-климатических зонах.

4. Требуемую степень уплотнения крупнообломочных природных и техногенных грунтов устанавливают по результатам пробного уплотнения.

5. Для земляного полотна, сооружаемого в районах распространения островной высокотемпературной вечной мерзлоты, коэффициенты уплотнения следует принимать такими же, как для II дорожно-климатической зоны.

Для выполнения третьего условия должны быть обеспечены требования по возвышению поверхности покрытия над расчетным уровнем грунтовых и поверхностных вод и поверхностью земли в соответствии с табл. 11.15.

Возвышение поверхности покрытия над уровнем грунтовых и поверхностных вод и поверхностью земли

Грунт рабочего слоя	Возвышение поверхности покрытия, м, для дорог, расположенных в пределах дорожно-климатических зон, не менее
I	II	III	IV	V
Песок мелкий, супесь легкая крупная, супесь легкая	1,4 1,2	1,1 0,9	0,9 0,7	0,75 0,55	0,5 0,3
Песок пылеватый, супесь пылеватая	1,8 1,5	1,5 1,2	1,2 1,0	1,1 0,8	0,8 0,5
Суглинок легкий, суглинок тяжелый, глины	2,5 1,7	2,2 1,6	1,8 1,4	1,5 1,1	1,1 0,8
Супесь тяжелая пылеватая, суглинок легкий пылеватый, суглинок тяжелый пылеватый	2,7 1,9	2,4 1,8	2,1 1,5	1,8 1,3	1,2 0,8

Примечания: 1. Числитель - возвышение поверхности покрытия над уровнем подземных вод или длительно (более 30 сут.) стоящих поверхностных вод, знаменатель - то же над поверхностью земли на участках с необеспеченным поверхностным стоком или над уровнем кратковременно (менее 30 сут.),стоящих поверхностных вод.

2. За расчетный уровень подземных вод надлежит принимать максимально возможный (за срок между капитальными ремонтами) осенний (перед промерзанием) уровень.

3. Возвышение поверхности покрытия на участках насыпей, проектируемых с откосами крутизной менее 1:1,5, а также с бермами допускается уточнять на основании данных расчета.

4. Наименьшие возвышения поверхности покрытия для дорог IV и V категорий с дорожными одеждами переходного и низшего типов допускается уменьшать по сравнению с нормами табл. 11.15 на основании практического опыта эксплуатации дорог в районах строительства, но не более чем в 1,5 раза.

5. В районах искусственного постоянного орошения возвышение поверхности покрытия над зимне-весенним УГВ или над уровнем поверхностных вод в IV-V дорожно-климатических зонах должно быть на 0,4 м, а в III зоне на 0,2 м больше, чем указано в табл. 11.15.

6. Возвышение поверхности покрытия над уровнем подземных вод или уровнем поверхностных вод при слабо- и среднезасоленных грунтах должно быть увеличено на 20 % (для суглинков и глин - 30 %), а при сильно засоленных грунтах - на 40-60 % по сравнению с требованиями данной таблицы.

При выполнении указанных трех условий производить специальные расчеты водно-теплового режима не требуется. При этом разрешается определять расчетные значения влажности, прочностных и деформативных характеристик грунта рабочего слоя при расчете дорожных одежд по табличным данным, приводимым в нормативных документах по проектированию дорожных одежд.

При невозможности или нецелесообразности выполнения всех трех условий необходимость и характер специальных мероприятий по учету водно-теплового режима устанавливают в результате специальных расчетов (Методические рекомендации по осушению земляного полотна и оснований дорожных одежд в районах избыточного увлажнения и сезонного промерзания грунтов /Союздорнии. - М., 1974. - 120 с; Методические рекомендации по проектированию и устройству теплоизолирующих слоев на пучиноопасных участках автомобильных дорог/ Союздорнии. - М., 1976. - 96 с).

При этом задаются некоторой конструкцией земляного полотна и дорожной одежды и определяют для этой конструкции расчетные значения плотности - влажности грунта и пучения. Первоначально в расчет вводят плотность грунта в момент постройки дороги и при этой плотности определяют эпюру влажности грунта перед промерзанием. При 1-й схеме увлажнения рабочего слоя эпюру влажности устанавливают только от осадков, выпадающих на проезжую часть, обочины и разделительную полосу. При 2-й схеме эту эпюру суммируют с эпюрой влажности от поверхностных вод, застаивающихся вблизи дороги. При 3-й схеме суммируют эпюру влажности от осадков и грунтовых вод или верховодки, а при необеспеченном поверхностном стоке - и от поверхностных вод.

В районах, где наблюдаются частые продолжительные оттепели, за расчетный следует принимать максимальный весенний уровень подземных вод за период между капитальными ремонтами. Гидрологический прогноз следует выполнять на основе многолетних наблюдений за режимом грунтовых вод по опорной сети соответствующих ведомств, а также разовых краткосрочных замеров в период изысканий. Обязательной частью исходных материалов должны быть региональные прогнозы режима грунтовых вод. При отсутствии указанных данных, а также при наличии верховодки за расчетный допускается принимать уровень, определяемый по верхней линии оглеения грунтов.

В районах с незначительной (менее толщины дорожной одежды) глубиной промерзания в качестве расчетного принимают наивысший уровень требуемой вероятности превышения в период его сезонного максимума.

Получив суммарную эпюру влажности, рассчитывают температурное поле и определяют значения плотности, влажности и пучения грунта для конца зимы. Затем вычисляют плотность грунта после осадки его весной и усадку в летний период. Расчет заканчивают при получении значения коэффициента уплотнения грунта в летний период такого же, как и перед промерзанием.

В результате расчетов получают искомые значения пучения, влажности и плотности грунта в расчетный период и при необходимости уточняют конструкцию верхней части земляного полотна и дорожной одежды, принимая специальные меры по регулированию водно-теплового режима или по снижению последствий воздействия его факторов.

Могут быть рекомендованы следующие мероприятия по защите верхней части земляного полотна и дорожной одежды в зависимости от источников увлажнения:

при воздействии атмосферных осадков - гидроизолирующие слои, дренирующие слои;

при воздействии поверхностных вод - капилляропрерывающие слои, гидроизолирующие слои, применение специального поперечного профиля (бермы, уположенный откос), поверхностный водоотвод;

при воздействии подземных вод - дренаж (понижение уровня воды), капилляропрерывающие слои, гидроизолирующие слои;

при промерзании - морозозащитные слои дорожной одежды, термоизолирующие слои, армирующие прослойки (для снижения неравномерности морозного пучения), улучшение и укрепление грунта рабочего слоя.