Исследование водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог

Study water-thermal regime of earth linen of automobile roads
Цитировать:
Махмудова Д.А. Исследование водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. 2021. 5(86). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11725 (дата обращения: 24.06.2021).
Прочитать статью:

 

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 WH, ТН - 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, WН=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)=WH W(0, t) = W1 ; W(l, t)=WH + 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 WК, WН – 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, WН=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, WН=0.16, W1=0.21, m=5х10-5 1/ч, tP=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, WP, 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.
Информация об авторах

доктор философии по техническим наукам, PhD, доцент, Ташкентский Государственный Транспортный университет, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, PhD, Associate Professor, Tashkent State Transport University, Republic of Uzbekistan, Tashkent

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top