Исследование водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрен вопрос о водно-тепловом режиме земляного полотна в условиях Узбекистана. Предложены дифференциальные уравнения, описывающие водно-тепловой режим полотна дорог при глубоком и близком залегании грунтовых вод, при боковом увлажнении.

ABSTRACT

In the article the following problem was discussed: water-thermal regime of earth linen of automobile roads in Uzbekistan condition. Differential balances describing water-thermal regime of roads in deep and near laying of soil water, in lateral damping were suggested.

Ключевые слова: земляное полотно, увлажнение, прочность, деформация, дорожная одежда, грунтовые воды, капиллярное поднятие.

Keywords: subgrade, moisture, strength, deformation, pavement, groundwater, capillary uplift.

Земляное полотно автомобильных дорог находятся под воздействием природно-климатических условий. Водно-тепловое воздействие отражается в виде циклического увлажнения, промерзания и высушивания грунтов земляного полотна, в результате которых  прочностные характеристики  грунтов рабочего слоя  земляного полотна меняются и при переувлажнении происходят различные деформации в земляном полотне  и разрушение целостности дорожной одежды.

Для проектирования земляного полотна с заданными прочностными свойствами необходимо прогнозирование количественных показателей водно-теплового режима. Литературный анализ результатов исследования водно-теплового режима земляного полотна приводит к выводу, что в условиях засушливой зоны, тем более в орошаемых районах, основным источником увлажнения рабочего слоя являются подземные воды, режим которых тесно связан с режимом поливов. При этом механизм увлажнения связывается, прежде всего, с капиллярным поднятием и боковым увлажнением. Для засушливого климата можно использовать ниже приведенную схему для описания земляного полотна (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема увлажнения и нагружения рабочего слоя земляного полотна

1-нагрузка от колеса автомобиля; 2-дорожная одежда; 3-обочина; 4-атмосферные воды; 5-капиллярные воды; 6-грунт естественного залегания; 7-коллектор; 8-просачивающаяся вода из коллектора.

Анализ участков автомобильных дорог по условиям увлажнения согласно представленной схемы рис.1 позволяет обосновать тепловлажностные воздействия на дорожные конструкции в искусственно орошаемых районах. В результате анализа рис. 1 обоснованы теоретические методы расчета водно-теплового режима и получены следующие дифференциальные уравнения водно-теплового режима. 

Дифференциальные уравнения водно-теплового режима полотна дорог при глубоком увлажнении. Для участков дорог с глубоким залеганием уровня грунтовых вод может быть применима общая теория тепломассообмена, разработанная А.В.Лыковым [1] для капиллярно пористых тел и развитая В.М.Сиденко для дорожных конструкций [2]. Процесс миграции тепла и влаги (теплообмен) в полотне, при условии однородности грунтов, можно представить в следующем виде:

,                                                    (1)

.                                              (2)

где α-коэффициент температуропроводности грунта, м²/ч; в–коэффициент, характеризующий выделение или поглощение грунтом тепла вследствие фазовых превращений влаги, град.; α₁-коэффициент влагопроводности двухфазной влаги грунта, м²/ч; в₁–коэффициент термомиграции 1/ч;  z–глубина (переменная координата), м; t–время, час.

Для просматривающегося случая имеются краевые и начальные условия:

для влажности: 

,   ,                                    (3)

для температуры:

, , .                                     (4)

где W_H, Т_Н - начальное распределение влажности и температуры по глубине;

m₁, m₂ – коэффициенты, характеризующие интенсивность изменения влажности и температуры за холодный период. Здесь m₁= 1/ч и m₂ = град/ч.

В результате анализа и некоторых математических преобразований окончательные выражения для определения температуры и влажности полотна имеют вид: 

                                                 (5)

где .

Наблюдения показали, что t колеблется от 1 по 4 месяцев. Поэтому значения m₁ колеблятся от 1·10^-5 до 5·10^-5 1/ч. Коэффициенты температурапроводности а, влагопроводности а₁ и термовлагопроводности в₁ были приняты по данным лабораторных исследований [2].

В рассматриваемом случае значения этих коэффициентов приняты: а = 0.001 град/ч, а₁ = 7·10^-5 м²/ч, m₁= 2.5·10^-3 м²/ч, в₁ = 0.002 1/град, W_Н=0.16, Z=0.2, t=700 час. Расстояние от низа дорожной одежды до РГУВ в районе исследования принято равным 3 м. Тогда значение  по формуле (5) равно 0.17.

Дифференциальные уравнения водно-теплового режима полотна дорог при боковом увлажнении. Рассмотрим задачу о влагообмене в грунтовом полотне без учета термовлагопроводности при наличии боковых коллекторов, влияющих на изменение влажности в полотне. Уравнение распределения влаги будет иметь вид:

                                                        (6)

Начальным условием будет , краевыми условиями будут:

W(z, 0)=W_H ;  W(0, t) = W₁ ; W(l, t)=W_H + mt .                              (7)

где: l - расстояние от низа дорожной одежды до уровня грунтовых вод в период ее максимального стояния, м.

Введем автомодельную переменную и после  некоторых математических преобразований окончательное выражение для определения температуры и влажности полотна имеет вид:

                               (8)

Равенство (8) показывает, что влажность вблизи бокового источника увлажнения будет расти и достигает максимальное значение равной .

Предварительно были проанализированы значения коэффициента m для периода застоя воды в боковых канавах. Значения m вычислялись по формуле:

,                                                        (9)

где W_К, W_Н – конечная и начальная влажность грунта под кромкой проезжей части за период t часов стояния воды в коллекторах.

Наблюдения показали, что t колеблется от 1 до 6 месяцев. Однако, период стояния МГПВ составляет от 1 недели до 1 месяца. В соответствии с этим, значения m₁ колеблется от 1·10^-5 до 5·10^-5 1/ч. Коэффициенты температуропроводности а, влагопроводности а₁ и термовлагопроводности в₁ были приняты по данным лабораторных исследований [2]. Ширина обочин дорог для района исследования составляет 2-2.5 м.

В рассматриваемом случае значения этих коэффициентов приняты: а₁ = 2·10^-5 м²/ч, m₁= 2·10^-5 м²/ч, в₁ = 0.002 1/град, W_Н=0.24, W₁=0.32, Z=0.2, t=200 час, l=3 м. Тогда значение  по формуле (8) равно 0.25

Для обеспечения заданной прочности проезжей части на участках с длительным застоем сбросных вод необходимо удалять кромку одежды на определенное расстояние  от боковых коллекторов. Для определения минимального удаления боковых коллекторов  от кромки проезжей части необходимо произвести соответствующие преобразования (8). При ,  находим :

                               (10).

Анализ выражения (10) дал возможность определять минимальное расстояние между кромкой проезжей части и бокового коллектора.

Если принять Z=1.0 м, W_Н=0.16, W₁=0.21, m=5х10^-5 1/ч, t_P=2010 ч, α₁=8х10^-5 м²/ч, то  получается:

.

Аналитическое решение влагообмена в полотне при близком залегании грунтовых вод. В результате интенсивной промывки полей, и затрудненного водоотвода наблюдается резкое поднятие горизонта грунтовых вод (ГГВ) и длительный период их стояния. В этот период создается значительная опасность постепенного нарастания переувлажнения грунтов полотна [3].

Поскольку влажность грунта в рассматриваемой зоне относительно высокая, то основной формой миграции является жидкая фаза. В связи с этим термодиффузией водяного пара можно пренебречь и уравнение для влагообмена примет вид (6).

Анализ службы земляного полотна в районе исследования позволяет принять следующие краевые условия:

;    ;      ;                      (11)

где -полная влагоемкость; -начальная влажность, -коэффициент, характеризующий интенсивность нарастания влаги грунта полотна под проезжей частью; -расстояние от низа дорожной одежды до уровня грунтовых вод в период ее максимального стояния.

Для решения (6) с учетом (11) можно написать следующие равенства влагообмена в полотне при близком залегании грунтовых вод:

.                                    (12)

С целью определения влажности грунтов под дорожной одеждой с близким стоянием (1-1.5 м) уровня грунтовых вод был выполнен расчет  по уравнению (12).

Наблюдения показали, что t колеблется от 1 до 3 месяцев. Однако, период стояния РУГВ составляет от 1 до 2 месяцев. Поэтому значения m₁ колеблется от 2·10^-5 до 7·10^-5 1/ч. В рассматриваемом случае значения этих коэффициентов приняты: а₁ = 2·10^-5 м²/ч, m=2·10^-5 м²/ч, W₁=0.16, Z=0.2, t=700 час, h=1.2 м. Тогда значение  по формуле (12) равно 0.17

Для улучшения водно-теплового режима в активной зоне полотна и повышения прочности имеет важное значение возвышение низа дорожной одежды над расчетным уровнем грунтовых вод. При решении задачи воспользуемся уравнением (12). После упрощения получим следующую формулу:

                                     (13)

Из формулы (13) приближенным методом можно определить h.

В зависимости от m, t, α, W_P, W₁ значения h колеблется от 0.6 до 1.2м.

Таким образом получено аналитическое решение для влагообмена, определен  в полотне при глубоком и близком залеганий грунтовых вод. А также получено аналитическое решение для влагообмена в полотне при увлажнении водой из боковых коллекторов. На конкретном примере определены значения .

Список литературы:

1. Лыков А.В., Михайлов Ю.А.Теория тепло- и массопереноса. Госэнерго- издат. - М.:, -Л.: 1963, 535 с.
2. Сиденко В.М. Расчет и регулирование водно-теплового режима земляного полотна. Автотрансиздат, - М.: 1962, 116 с.
3. Махмудова Д.А. Результаты исследования влажности грунтов земляного полотна автомобильных дорог // Вестник КГУСТА. – Бишкек, 2016. -№1(51). - С. 66-70.