Лекция 5 1 Пучины и пучинообразование

Лекция № 5 1

Пучины и пучинообразование 2

Сезонное изменение показателей воднотеплового режима: I-IV – характерные сезонные периоды водно-теплового режима; А 1 , А 2 – атмосферные осадки в виде дождя и снега; Тх – холодный период. 3

Наиболее опасные периоды года для работы дороги: II период – зимнее морозное влагонакопление, когда могут возникнуть пучины и переход от теплого периода к холодному, когда могут возникнуть трещины в покрытиях. III период – оттаивание ЗП и переувлажнение грунта весной, когда могут возникнуть просадки и другие деформации дорожных одежд из-за переувлажнения. 4

В период зимнего морозного влагонакопления опасное влияние ВТР может проявиться с возникновением пучин. Под пучинообразованием понимают деформации и разрушения дорожной одежды, в виде взбугривания и сетки трещин, образующиеся за счет увеличения воды в объеме в порах земляного полотна при замерзании. 5

Физическая сущность пучин заключается в следующем: в начале II периода устанавливается снизу вверх и от обочины к оси дороги температурный перепад и соответственно движение влаги: идет интенсивная термодиффузия пара. Как было отмечено, даже в хорошо уплотненном состоянии земляное полотно имеет пустоты, в которых находится вода с разными физическими свойствами. 6

Достаточно активно процесс миграции воды происходит в зоне от 0 до – 50 С, от более теплых слоев к холодным, т. е. снизу вверх. В теле ЗП и слоях ДО вода встречается в следующих состояниях: ◦ ◦ ◦ свободная вода; пленочная вода; связанная вода; каппилярная вода; пар; смесь пара и воздуха. 7

Формы состояния воды и ее движение в теле земляного полотна 8

Свободная вода замерзает при 0 0 С; пленочная при t = – 3 0 С, а прочно связанная вода внутри частиц грунта в микротрещинах при t = – 10 до – 300 С. Мы знаем, что вода при замерзании увеличивается в объеме на 9%, по сравнению с обычным состоянием. 9

Миграция влаги зависит и от типа грунта: песчаные и глинистые грунты оказывают большое сопротивление перемещению воды в порах, а пылеватые грунты – наоборот. При замерзании грунтов граница промерзания опускается в тело земляного полотна. Водяной пар, поднимаясь снизу вверх по сетке капилляров, за счет разности температур (+40 С у уровня грунтовых вод и минусовая в зоне промерзания) конденсируется на холодных частицах, превращаясь в связанную и далее в свободную воду и увеличивает влажность верхних слоев земляного полотна. 10

Промерзание земляного полотна в зимний период 1 – снежный покров; 2 – поднятие поверхности дорожной одежды; 3 – линия промерзания земляного полотна; 4 – зона междуфазового перехода грунта; 5 - линзы и прослойки льда. 11

В зоне промерзания жидкая фаза превращается в лед, увеличиваясь в объеме на 9%. Возникают кристаллы, линзы льда, создающее огромное давление в земполотне, которые вызывают неоднородное поднятие ДО (это и есть пучение). Максимальное поднятие достигается к концу холодного периода и на взбугриваниях четко видны трещины ромбического очертания (зимний период пучинообразования). 12

Весной грунт полотна оттаивает, в первую очередь под дорожной одеждой. Под действием процесса оттаивания идет опускание границы промерзания вглубь земляного полотна и за счет неравномерного оттаивания в теле земляного полотна образуется «донник» из мерзлого грунта (У откосов и под дорожной одеждой прогрев будет идти быстрее). 13

Земляное полотно во время оттаивания грунта: 1 –разжиженный грунт; 2 – оставшийся донник; 3 – линия промерзания грунта; 14

В нем, как в ванной собирается вода, так как ей некуда деваться, снизу мерзлый грунт, и в верхней части донника создается слой из влажного грунта и воды, соответственно будет идти потеря прочностных характеристик дорожной одежды и интенсивное ее разрушение. Наименьшая прочность ДО наблюдается в местах пучин, где скопление влаги. 15

В этот период донник является еще и дополнительным фактором увлажнения дорожной одежды за счет диффузионного и капиллярного поднятия влаги из него. При наезде автомобиля на взбугривание под действием колес автомобиля на поверхность выдавливается или выплескивается переувлажненный грунт или влага ("фонтанирование") и возникают проломы и проседание (весенний период пучинообразования) по мере оттаивания грунта ЗП вода частично испаряется, частично инфильтрует вниз к обочинам. Грунт просыхает и под действием колес уплотняется. На месте взбугривания наблюдаются просадки, пучины «затухают» . 16

Пучинообразование - это результат совместного действия трех факторов: • Интенсивное морозное влагонакопление (максимальная относительная влажность грунта в верхней части полотна Wmax ≥ 0, 75 Wm); • Медленное и глубокое промерзание грунтов (hпр≥ 0, 5 м); • Наличие пылеватых тонкодисперсных грунтов: пылеватые пески, супеси и т. д. При отсутствии одного из факторов пучины не появляются. 17

Еще раз подчеркнем, физическая сущность пучинообразования состоит в накоплении, перераспределении, замерзания и оттаивании воды в порах грунта при сезонных изменениях ВТР ЗП и ДО, при наличии перечисленных факторов. 18

На размеры морозного пучения, кроме основных факторов, влияют: § скорость промерзания грунта; § продолжительность холодного периода; § прочность дорожной одежды. Для поднятия жесткой и монолитной конструкции дорожной одежды потребуется несколько больше усилий, чем для нежесткой дорожной одежды. 19

Пучины, в том числе неравномерные, могут достигать размеров до 10 см, что оказывает существенное влияние на характер движения транспорта по покрытию, снижая пропускную способность дороги и удобство езды. Для доказательства возникающих давлений отметим, что были случаи, когда сваи, забитые на 12 м вглубь, выворачивало наружу за счет морозного пучения. 20

В районах сезонного промерзания грунтов земляного полотна при неблагоприятных грунтовых и гидрологических условиях наряду с требуемой прочностью и устойчивостью должна быть обеспечена достаточная морозоустойчивость дорожных одежд. Конструкцию считают морозоустойчивой, если соблюдено условие ℓпуч ≤ ℓдоп, где ℓпуч – расчетное (ожидаемое) пучение грунта земляного полотна; ℓдоп – допускаемое для данной конструкции пучение грунта (табл. ) 21

Таблица Тип дорожных одежд Вид покрытия Допустимая величина морозного пучения ℓдоп, см Капитальные Асфальтобетонно е 4 Облегченные Асфальтобетонно е 6 Переходные Переходное 10 Примечание. В восточных районах II-III дорожно-климатических зон значения ℓдоп следует увеличивать на 20 -40 % (большие значения для облегченных и переходных дорожных одежд). 22

Общая устойчивость дорожной конструкции (ДО+ЗП) характеризуется коэффициентом пучения Кпуч = lпуч / Zпр где l пуч - общее поднятие ДО, мм Z np - глубина промерзания ЗП, мм По критерию прочности ДО определяется коэффициент неравномерного пучения: Кн. пуч = lн / lдоп 1, где lн - неравномерное поднятие ДО, мм 23

Схема пучения дорожных одежд lпуч –общее пучение ; l p – равномерное пучение; lh – неравномерное пучение; р – давление пучения; Нод – толщина дорожной одежды; В – ширина проезжей части. 24

За практический критерий принято допустимое поднятие покрытий, при котором в растянутой зоне еще не возникают трещины: lдоп = 0, 27 пр В 2 / 6 Нод, где пр - предельно допустимое относительное удлинение в растянутой зоне покрытия, при котором не возникают трещины; В - ширина ПЧ, м; Нод -высота ДО, м. 25

пр - зависит от материала, температуры, методики испытания. µ - коэффициент учета неоднородности пучения: µ = 0, 2÷ 0, 4; µ = 0, 2 – нежестких ДО при глубоком УГВ; µ = 0, 4 – жестких ДО при близком УГВ. Для асфальтобетона: пр = 0, 073 + 0, 0003 t, где t - отрицательная температура покрытия. 26

Фактически морозное пучение вычисляют: lф = 1, 09 Wmax, где Wmax – морозное влагонакопление. Максимальное влагонакопление за холодный период: Wmax= W 2 -W 1, где W 2 - влажность грунта в конце периода морозного влагонакопления; W 1 - то же до промерзания. Критерий устойчивости ДО: lф lдоп 27

Мероприятия по восстановлению несущей способности пучиноопасных мест В целях недопущения пучения на автомобильных дорогах необходимо обеспечить морозоустойчивость ДО. С этой целью применяют следующие мероприятия: - использование непучинистых (песок гравилистый, крупный, средней крупности с частицами мельче 0, 052%), слабопучинистых (то же, с частицами мельче 0, 05 -15%, супесь легкой крупности); - осушение рабочего слоя: дренажи, капилляроперерывающие слои; - устройство теплоизолирующих слоев (снижение глубины промерзания); - устройство основания ДО из монолитных материалов. 28

При существующих дорогах основное направление и меры борьбы с пучинами состоят в том, чтобы максимально ускорить оттаивание, просыхание в первую очередь боковых частей ЗП, предохранить покрытие от разрушения, а там, где этих мер недостаточно, перестроить пучинистые участки с использованием прослоек из песка или из рулонных геосинтетических материалов. 29

Для этого: Первое. В весенний период закрывают проезд для тяжело груженных автомобилей на тех дорогах, где возможно интенсивное разрушение дорожной одежды. 32

Давайте рассмотрим причины разрушения. В этом процессе играют большую роль образовавшиеся донники. Вода не может опуститься в тело земляного полотна, так как ниже находятся мерзлые грунты с нулевой способностью пропускать воду. И у воды один путь, подняться по капиллярам к дорожной одежде и выйти наружу, что собственно и происходит при наезде автомобиля на пучинистый участок, т. е. пучины раскрываются, и вода может фонтанировать над покрытием, как говорят дорожники дорога «плачет» . 33

34

35

36

В холодный период года дорожное покрытие, имеющее в составе органические вяжущие, очень хрупкое, тем более весной. Под ним практически нет основания, т. к. переувлажненный грунт имеет минимальную несущую способность. Можно было бы сравнить данное состояние ДО со стеклом, которое положили на болото. Если в каком-то месте появится трещина, то начинается процесс фонтанирования, тем более что в этот период идет активное формирование сетки трещин и закладывается начало дальнейшего разрушения дорожной одежды. ДО теряет прочность, под влиянием колес разрушается, ее материал перемешивается с разжиженным грунтом, т. е. пучина «вскрывается» . 37

38

39

Второе. В местах, где было зафиксировано зимнее пучинообразование, особенно неравномерное, вероятность потери прочностных свойств, конструкции дорожной одежды, весьма велика. По этой причине весной производят очистку обочин и откосов земляного полотна от снега для ускорения процесса прогрева дорожной конструкции. По-другому, делают дополнительные пути выхода для воды в пустое пространство. 40

Третье. Если эти мероприятия не дали положительного результата, тогда вдоль обочин устраивают осушительные воронки, которые предотвращают пучины и ослабляют их воздействие на дорогу. 41

42

43

Воронки роют с обеих сторон в шахматном порядке на расстоянии 3 -4 м одна от другой. Они имеют ширину 0, 2÷ 0, 3 м, а глубина равна толщине ДО, включая песчаный подстилающий слой. Дну их придается продольный уклон 40÷ 50%. Воронки способствуют быстрейшему оттаиванию ЗП и отводу образующейся воды. 44

Дренажные воронки §Разрез по полотну дороги 45

46

Есть другой способ устройства воздушных воронок: бурят скважины диаметром 0, 3 -0, 45 м через 0, 5 -0, 6 м в шахматном порядке на всю толщину дорожной одежды до песчаного дренирующего слоя и заполняют их песком. Это улучшает: • водоотвод из тела земляного полотна, за счет частичной инфильтрации ее через воздушные воронки в дренирующий слой; • и ускоряют процесс оттаивания грунтов земляного полотна в результате тепломассообмена. 47

Четвертое. Если и такие мероприятия не помогают для повышения прочностных показателей дорожной одежды, то эти участки разгружают. Для этого над ними устраивают «подушку» : дополнительный слой - из шлака, песка, ПГС толщиной 10÷ 15 см, а поверх нее укладывают деревянные щиты или временное колейное покрытие. И чем толще подушка из песка, тем будет больше площадь передачи нагрузки и меньше давление на единицу площади. 48

49

Летом, после стабилизации грунтов, такой участок разбирают и ремонтируют, заменяя пучинистые грунты, улучшая водоотвод (например, увеличивая толщину песчаного дренирующего слоя) и, или, берут песок с более высокой фильтрующей способностью. Итак, работу по защите дорог от пучин проводят по следующей схеме: 50

Выявление условий возникновения пучин Пучинистые грунты Промерзание грунта Наличие источников увлажнения Прогнозирование последствий пучинообразования Допустимые деформации дорожной одежды Недопустимые деформации дорожной одежды Выбор возможных способов защиты от пучин и подбор материалов 51

Выбор возможных способов защиты от пучин и подбор материалов Замена пучинистых грунтов на непучинистые Устранение воздействий источников увлажнения Предотвращение промерзания земляного полотна Поверхностный водоотвод Дренаж Водоизолирующие прослойки Морозозащитные слои Теплоизолирующие слои Капилляропрерывающие прослойки Технико-экономический расчет способов защиты от пучин Выбор оптимального способа защиты от пучин 52