Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современных достижений в области изучения водно-теплового и деформативного режимов промерзающего грунта земляного полотна автомобильных дорог 9
1.1 Механизмы тепло- и массопереноса в глинистых грунтах земляного полотна автомобильных дорог 9
1.2 Термодеформативные состояния и механизмы пучения промерзающих грунтов 13
1.3 Краткий обзор исследований по водно-тепловому режиму и назначению расчётных характеристик грунтов земляного полотна 15
1.4 Методы прогнозирования и диагностики влагонакопления в промерзающем грунте 18
2. Особенности промерзания грунтов земляного полотна автомобильных дорог Алтайского края 24
2.1 Природно-климатические условия 24
2.2 Влияние физических свойств грунтов на водно-тепловой режим земляного полотна 30
2.3 Влияние аномальных свойств воды на процесс промерзания грунта 33
Выводы 38
3. Теоретические исследования водно-теплового режима земляного полотна 39
3.1 Математическая модель промерзания грунта 39
3.2 Пародиффузионный механизм миграции влаги . 47
3.3 Перенос влаги в жидкой форме 56
Выводы 59
4. Экспериментальные исследования методов диагностики и регулирования водно-теплового режима промерзающих грунтов земляного полотна 61
4.1 Предварительные полевые опыты 61
4.2 Методы и лабораторно-полевое оборудование для изучения давления и диффузии воздуха в подмерзлотной зоне грунта 67
4.3 Водно-тепловой режим грунтов при глубоком залегании грунтовых вод 75
4.4 Водно-тепловой и термодеформативный режимы в переувлажненном земляном полотне 83
4.5 Метод определения давления пучения замерзающего грунта 91
Выводы 93
5. Методы и технические средства регулирования водно-теплового режима земляного полотна 95
5.1 Разработка и совершенствование конструкций тепловых труб 95
5.2 Методы регулирования водно-теплового и деформативного режимов 106
5.3 Технико-экономическая оценка научных разработок 113
Выводы 117
Общие выводы 119
Литература 121
Приложения 136
- Методы прогнозирования и диагностики влагонакопления в промерзающем грунте
- Пародиффузионный механизм миграции влаги
- Водно-тепловой и термодеформативный режимы в переувлажненном земляном полотне
- Методы регулирования водно-теплового и деформативного режимов
Методы прогнозирования и диагностики влагонакопления в промерзающем грунте
Увлажнение земляного полотна автомобильных дорог зависит от природно-климатических факторов и дорожной конструкции. В общем случае наиболее существенны следующие источники увлажнения:
1) Атмосферные осадки, выпадающие преимущественно в осенний период. При этом для зон Приобья и предгорий Салаира увлажнение земляного полотна осуществляется в инфильтрационном режиме просачивания воды через обочины и откосы, а также через трещины и выбоины дорожной одежды. Максимальное увлажнение грунта земляного полотна зависит от его водоудерживаю-щей способности, избыточная влага инфильтрации мигрирует в виде гравитационного потока в грунтовые воды;
2) В сухостепной зоне Алтайского края в летний период выпадает незначительное количество осадков (200 - 300 мм), при этом влага, как правило, испаряется, и в земляном полотне инфильтрационный режим наблюдается преимущественно за счет стока талых вод;
3) Поверхностные воды, увлажняющие грунт земляного полотна вблизи водотоков, озер и водопропускных сооружений;
4) Грунтовые воды, увлажняющие земляное полотно за счет их капиллярного подъема глинистыми или пылеватыми грунтами, а также за счет их подпора или выклинивания в понижениях и выемках;
5) Конденсат атмосферной влаги, увлажняющий поверхностные слои откосов и обочин, а также проникающий через трещины дорожной одежды в рабочий слой земляного полотна;
6) Влага термоградиентного переноса, наиболее интенсивно увлажняющая рабочий слой земляного полотна в зимний период. Источником увлажнения являются капиллярная кайма грунтовых вод и глубинные слои грунта с избыточным увлажнением.
В настоящее время и в перспективе при строительстве автомобильных дорог возрастает тенденция использования местных грунтов для сооружений земляного полотна. Ю.М. Львович и Э.К. Кузахметова отмечают, что наиболее неблагоприятным и повсеместно распространенным признаком местных глинистых грунтов независимо от генезиса является их высокая влажность как в источнике получения, так и в конструктивных элементах при последующей эксплуатации, превышающая, как правило, оптимальную, а в некоторых случаях и допустимые значения, регламентированные СНиП 2.05.02-85.
Профессор В.Н. Ефименко [40] отмечает, что длительное изучение сезонного изменения состояния земляного полотна и дорожных одежд автомобильных дорог Западной Сибири и полученные при этом результаты исследований позволяют утверждать, что в районах избыточного увлажнения и глубокого сезонного промерзания грунтов изменение прочности дорожных конструкций в наибольшей мере подвержено влиянию природно-климатических условий. Широкое распространение глинистых грунтов, избыточное увлажнение территории при недостатке тепла приводят к интенсивным процессам пучинообразования на автомобильных дорогах. Так, величина поднятия покрытия дорожных одежд в результате пучения грунтов даже на участках I типа местности по увлажнению может в два с лишним раза превышать нормированные значения, а в отдельные годы - 200 мм.
В.Н. Ефименко отмечает также, что предлагаемые в проектах конструкции дорожных одежд для анализируемых районов часто не соответствуют требуемым условиям морозоустойчивости и прочности. В то же время, действующий СНиП 2.05.02-85 и другие нормативные документы не дают исчерпывающих и достаточно обоснованных методов инженерного прогнозирования пучения грунтов, а также методов расчета сооружений, возводимых на пучиноопасных связных грунтах. Отмеченные обстоятельства являются причиной низкого качества проектных решений, связанных с конструированием и расчетом дорожных одежд и земляного полотна. Это обусловливает непродолжительный срок службы автомобильных дорог на территории Западной Сибири и необходимость сезонных ограничений нагрузок на эксплуатируемые транспортные сооружения, когда оттаявший грунт рабочего слоя земляного полотна имеет максимальную влажность и, соответственно, минимальную несущую способность. Возникающие при этом напряжения превышают значения, при которых обеспечивается условие местного предельного равновесия по сдвигу в грунте земляного полотна, несвязных и слабосвязных слоях, а также допускаемые растягивающие напряжения при изгибе в связных слоях дорожной одежды. То есть провоцируются условия, при которых протекает преждевременное разрушение покрытий дорожных одежд.
В монографии И. А. Золотаря и-др. [46] приводится общая схема решения задачи прогноза возможного влагонакопления и регулирования расчетной влажности грунтов земляного полотна, которая сводится к определению:
а) возможного влагонакопления в осенний и в особенности в зимний периоды в зависимости от климатических, грунтовых и гидрологических условий;
б) допустимого влагонакопления и морозного пучения, безопасного для прочности и устойчивости покрытий; в) численного значения расчетных параметров, входящих в расчетные схемы для определения размеров устройств, регулирующих приток и расход влаги в земляном полотне.
В работах И.А. Золотаря и позже В.Н. Ефименко предложены методы прогнозирования осеннего и зимнего влагонакопления в земляном полотне, учитывающие широкий комплекс природно-климатических характеристик.
При этом расчет средней осенней влажности Wocxp. основан на учете характера увлажнения земляного полотна и дорожной одежды при следующих исходных данных: величина возвышения бровки земляного полотна Нв над уровнем грунтовых вод или верховодки, в см; коэффициент влагопроводности грунта земляного полотна Кь см2/ч.
Величина Woc.cp. зависит от значения критерия осеннего влагонакопления F0H, определяющего интенсивность и продолжительность замачивания грунтов при близком или глубоком залегании уровня грунтовых вод и определяемого по формуле
В более глубоких горизонтах грунта с капиллярноподвешенной влагой с разрывами капилляров и газовыми включениями имеет место комбинированный механизм миграции влаги. В обводненных массивах, когда поры фунта практически полностью заполнены водой, выражен механизм мифации влаги в жидкой форме.
В связи с этим для более глубокого изучения закономерностей водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог необходим дифференцированный подход к конкретным гидрогеологическим условиям, что и является одной из задач диссертации.
Переходя к обобщению анализа существующих методов регулирования водно-теплового и деформативного режимов земляного полотна, следует отметить, что в настоящее время вопрос диагностики термодинамических параметров земляного полотна как проектируемых, так и эксплуатируемых автомобильных дорог остается далеко нерешенным, в особенности в период промерзания фунтов.
Наличие дорожной одежды и мерзлотного слоя затрудняет доступ измерительных средств в подмерзлотную зону грунта земляного полотна. В этих условиях осложняется задача организации наблюдений за изменениями уровня залегания фунтовых вод и врдоотведения в сезоннопромерзающих фунтах.
Комплекс мероприятий по регулированию водно-теплового режима фунтов земляного полотна обстоятельно рассмотрен в монофафии И.А. Золотаря и др. [17]. В этой работе основные способы регулирования представлены в следующем виде:
- удаление низа дорожной одежды от горизонта фунтовых вод;
- устройство морозостойких а также теплоизолирующих слоев;
- отвод избыточной воды путем устройства дренирующего слоя;
- устройство гидроизоляционных слоев;
- рациональное конструирование дорожной одежды; - гидрофобизация грунтов активной зоны с использованием органических и минеральных вяжущих, а также высокомолекулярных соединений.
Пародиффузионный механизм миграции влаги
Охлаждение грунта земляного полотна в осенний период сопровождается снижением температуры его активного слоя до температуры, равной температуре грунтовых вод и дальнейшее снижение температуры обусловливает изменение характера движения влаги. Температурный градиент меняет направление и начинается восходящая миграция влаги из зоны грунтовых вод в охлаждаемый и далее промерзающий грунт.
Следует отметить, что процесс промерзания грунтов и сопутствующее ему явление пучения, как свидетельствуют последние публикации, существенным образом зависит от воздушного режима грунта. Так, например, в работе П.И. Перегуда [85] было подчеркнуто, что грунт является трехфазной системой, состоящей из минеральных частиц, воды и воздуха. Поэтому объяснение процесса пучинообразования накапливанием влаги в мерзлых грунтах без учета роли воздуха является неправильным, не соответствующим природным процессам.
О влиянии воздуха грунта на процесс влагопереноса свидетельствует ряд вышеупомянутых работ в области агрофизики и почвоведения. Однако в этих работах описаны особенности рассматриваемых процессов без раскрытия физической сущности и взаимосвязей параметров влагопереноса.
Для грунтов земляного полотна с выраженной зоной аэрации, когда большинство пор заполнено воздухом (первый тип увлажнения), по нашему мнению, характерен механизм пародиффузионного переноса влаги. Для выявления физической сущности этого механизма рассмотрены особенности промерзания влажного грунта с воздушными порами.
Учитывая сложность строения промерзающей толщи грунта, а также различные фазовые состояния его составляющих, суммарную отведенную теплоту за период промерзания грунта можно представить как сумму отдельных величин, учитывающих конкретное состояние его составляющих. Суммарная теплота, отведенная от грунта за зимний период, может быть представлена в виде:
QTn = Qi + Q2 + Qi + Q4 + Q5 + Q6 + Qi, (3.16)
где Q\ - теплота, отведенная при охлаждении воды, содержащейся в мерзлотной толще;
Q2 - теплота, отведенная от воды, содержащейся в мерзлотной толще при ее замерзании;
Qi - теплота, отведенная при дальнейшем охлаждении льда мерзлотной толщи;
QA - теплота, отведенная от скелета промерзшего грунта;
Q5 - теплота, отведенная от воды, содержащейся в подмерзлотной толще, при приближении фронта промерзания;
Qe - теплота, отведенная от скелета грунта в подмерзлотной толще;
Q7 - теплота конденсации парообразной влаги;
Q8 - теплота, отведенная от воздуха грунта. При расчете теплового баланса следует учитывать закономерность изменения температуры по профилю грунта, фазовые переходы влаги и неизменность фазового состояния скелета. В мерзлотной толще температура изменяется от значения Тс на поверхности до значения Т3 = О С на подвижной границе промерзания и далее до значения Т0 в глубине подмерзлотной зоны. За расчетную температуру мерзлотной толщи принимается среднее значение Тс, а в подмерзлотной зоне величина То=Тгв.
Процесс тепло- и массопереноса из глубинных слоев грунта в промерзающий слой обусловлен переносом влаги воздухом грунта в отдельных порах и определяется параметрами начального и конечного пунктов влагопереноса. При этом начальным пунктом влагопереноса является область капиллярной каймы, а конечным - подвижная граница промерзания.
Анализ современных научных достижений в области изучения механизма миграции влаги в грунтах показывает, что до последнего времени нет единой оценки соотношений составляющих, природы и механизма термоградиентного влагопереноса. Однако явление миграции влаги в промерзающих грунтах было выявлено еще в конце 19-го столетия такими русскими исследователями как Г.Я. Близнин, С.Г. Войслов, И.А. Лопатин и др.
Анализ результатов отечественных научных исследований [26, 37, 84, 85, 142, 158, 160] показывает, что влага в грунтах может мигрировать в парообразной форме (пародиффузионный влагоперенос) в виде транзитного термокапиллярного потока, переходящего в парообразную форму (комбинированный влагоперенос), и перенос влаги в жидкой форме.
Пародиффузионный механизм влагопереноса имеет место в грунтах с выраженной зоной аэрации. Особенностью этой зоны является наличие в ней пор, заполненных влажным воздухом. Эта зона располагается между уровнем капиллярной каймы грунтовых вод и воздухонепроницаемым дорожным покрытием.
Термоградиентное движение влаги в зоне аэрации грунта земляного полотна подчиняется условиям:
То кк- восходящее движение влаги,
Т0 ТКК - нисходящее движение влаги,
где Ткк - температура грунта на верхней границе капиллярной каймы;
Т0 - температура дренирующего слоя непосредственно под дорожным покрытием.
Указанные температурные режимы обусловливают соответствующие значения давления паров влаги в горизонтах дорожной конструкции. В зимний период при Т0 ТКК давление паров влаги под дорожным покрытием меньше давления паров влаги в зоне капиллярной каймы (Р0 РкК), и влага мигрирует из зоны капиллярной каймы в основание дорожной одежды.
В летний период, когда Т0 ТКК и Р0 РКК, имеет место нисходящее движение влаги из слоев, прилегающих к дорожному покрытию, в зону капиллярной каймы и далее в грунтовые воды. В условиях жаркого лета Алтайского края, когда температура воздуха превышает 30 С, а температура оголенной поверхности грунта достигает 70 С, температура под дорожным покрытием повышается до 40 С. При этом давление насыщенных паров влаги под дорожной одеждой, согласно справочным данным [105], составляет 752 кгс/м . Для сравнения отмечаем, что при 0 С давление паров влаги составляет 62 кгс/м . Таким образом, при прогреве дорожной одежды избыточное давление паров в верхних слоях грунта земляного полотна способствует оттоку (оттеснению) влаги в глубинные слои грунта.
Для определения количества влаги, мигрирующей в зоне аэрации грунта в зимний период, рассмотрим пародиффузионный механизм влагопереноса.
Процесс тепло- и массопереноса из глубинных слоев грунта в промерзающий слой обусловлен переносом влаги воздухом отдельных пор и определяется параметрами начального и конечного пунктов влагопереноса. При этом начальным пунктом влагопереноса является область капиллярной каймы, а конечным - подвижная граница промерзания.
Водно-тепловой и термодеформативный режимы в переувлажненном земляном полотне
Переувлажненные грунты, как правило, наблюдаются в понижениях рельефа, в выемках и при близком залегании грунтовых вод, когда их уровень примыкает или расположен вблизи максимальной глубины промерзания грунта. Близкое залегание грунтовых вод, как свидетельствуют теоретические исследования, обусловливает более интенсивный термодиффузионный влагоперенос в грунте, вызывая его переувлажнение до полной влагоемкости. В этом случае влажность грунта превышает оптимальное значение, предусмотренное рекомендациями по проектированию дорог. В этом случае при проектировании дорожной конструкции предусматривают сооружение насыпей, включение дренажных слоев и гидроизоляции в основании дорожной одежды. Сооружение выемок обусловливает обводнение земляного полотна, что, в свою очередь, требует решения задач по сооружению дренажа и водоотведения.
Объектом исследований явилась выемка автомобильной дороги «Алтай-Кузбасс» на участке км 136+690 - км 137+890. В соответствии с инженерными гидрологическими изысканиями верхние подпочвенные горизонты грунта представлены тугопластичным (Кп= 172 кПа) и глубже текучепластичным суглинком тяжелым пылеватым, переходящим в глинистые сланцы. Лабораторный анализ гранулометрического состава тугопластичного суглинка показал следующее соотношение фракций:
15 февраля 2000 года в период упрочнения верхнего слоя земляного полотна бутовым камнем, глубина промерзания грунта составляла 0,3 - 0,4 м. При этом промерзший слой находился в переувлажненном состоянии. Кюветы, частично покрытые снегом, были заполнены незамерзающей водой, что свидетельствовало об их постоянное подпитке напорными грунтовыми водами. _
Для оценки уровня и характера движения грунтовых вод на откосе с отметкой, превышающей проектную на 3 м, с помощью бурового станка была пробурена скважина диаметром ПО мм на глубину 2 м. По прошествии 1 часа скважина наполнялась водой на высоту 1,8 м, что подтвердило предположение о напорном характере грунтовых вод.
Анализ гидрологических изысканий и наши предварительные исследования гидрологических особенностей в выемке позволили на этапе строительства земляного полотна выявить и обобщить следующие негативные факторы и их влияние на дальнейшее строительство и эксплуатацию дорожной конструкции: Наличие напорных грунтовых вод в выемке обусловливает избыточное увлажнение земляного полотна;
Разность отметок горизонта воды в откосах и в возводимом земляном полотне, укрепленном бутовым камнем (отм. 413,51) составляет около 7 м. В случае промерзания земляного полотна и откосов гидростатическое вверх направленное давление в рабочем слое может составить до 5 - 7 тонн на 1 м2 промерзшего водонепроницаемого слоя;
Обводненное состояние грунта выемки является морозопасным в связи с возможными проявлениями пучения и осадки грунта земляного полотна, а также оползневыми явлениями в откосах;
Особенность конструкции тепловой трубы, приведенной на рис. 4.14, заключалась в том, что она снабжена центральным каналом, позволяющим соединять глубинные слои земляного полотна с атмосферой, осуществлять отвод напорных вод из глубинных слоев грунта, снижая в них гидростатическое давление на грунт земляного полотна.
Наружный диаметр тепловой трубы составляет 110 мм, проходной диаметр центрального канала составляет 50 мм. Тепловая труба состоит из тепловой секции с коаксиальной полостью, заполненной жидким незамерзающим теплоносителем (керосин, соляровое масло, раствор химических удобрений), несущей колонны из набора промежуточных секций (на рис. не показаны), и концевой секции с перфорациями в нижней части трубы. В концевой секции размещен съемный фильтр, снабженный фильтрационной тканью (дорнит) и подъемным тросом для замены фильтра. При установке тепловой трубы затрубное пространство между промежуточными и концевой секциями заполняется фильтрационным наполнителем в виде смеси крупнозернистого песка и мелкого щебня (фр. 3 - 10 мм). Забой скважины на высоту не менее 1 м засыпается сначала песком и далее смесью крупнозернистого песка и щебня.
Разработанная сборная конструкция тепловой трубы за счет набора промежуточных секций, соединяемых муфтами, теоретически имеют неограниченную длину, и ее водозаборная концевая секция может достигать широкий спектр глубин з_алегания водоносных горизонтов напорных зод с последующим их отводом на дневную поверхность.
Установку 1-ой опытной тепловой трубы осуществляли 14 мая 2000 г. на км 136+850 а/д «Алтай-Кузбасс». Бурение пробных скважин проводили на обочине строящегося земляного полотна через слой бутового камня и далее в обводненном суглинке. При бурении 2-х пробных скважин на глубину до 3 м было выявлено, что уровень грунтовых вод залегает на глубине 0,3 м от возведенной поверхности земляного полотна. В то же время в сооружаемом кювете уровень воды был более чем на 1 м ниже уровня воды в земляном полотне. Это обстоятельство свидетельствует о низкой фильтрационной способности грунта земляного полотна, в котором скопление воды обусловлено осадками и подпором грунтовых вод. Кроме того, работа экскаватора при сооружении кюветов способствовала глинизации откосов с образованием своеобразной «чаши» в земляном полотне.
Бурение скважины под тепловую трубу было приостановлено на глубине 9 м в связи с тем, что буровой инструмент вышел на скальный грунт. При этом в буровом шламе появились продукты разрушения скальных пород (преимущественно кварциты), а осевое давление на буровом ставе приводило к сильным вибрациям бурового станка.
После бурения скважины на глубину 9 м произвели уменьшение длины тепловой трубы, выполнили фильтрационную засыпку забоя скважины и установили тепловую трубу без герметизации устья скважины с превышением выходного патрубка на 0,7 м от поверхности грунта земляного полотна. По прошествии 20 дней из выходного патрубка тепловой трубы начался самоизлив напорных вод с расходом к 10 июня до 0,5 литра в минуту.
Выполненные опытно-производственные исследования позволили установить глубину залегания водоносного горизонта, который оказался расположенным в области сопряжения глинистого грунта земляного полотна со скальными коренными породами. Эти исследования подтвердили геологические особенности формирования подземных и грунтовых вод в предгорьях Салаира. В данном случае мы считаем, что напорные воды формируются в_ возвышенной части Са-лаирского кряжа, мигрируют к области перехода горной части в степную и через разломы в коренных скальных породах выклиниваются в понижениях и выемках.
Натурные опыты подтвердили наши предположения о том, что бурение скважины и установка тепловой трубы с центральным каналом вывода воды позволяет перехватить напорные воды, снизить гидростатическое давление воды в земляном полотне и значительно уменьшить его обводнение. Снижение давления напорных вод в водоносном горизонте позволяет уменьшить высоту их подъема как в земляном полотне, так и в прилегающих откосах выемки. В условиях интенсивных темпов окончания строительства изучение режимов работы тепловой трубы было приостановлено в связи с тем, что она была замурована в теле земляного полотна, отвод напорных вод осуществлялся в противоположный кювет через дренирующий слой земляного полотна, выполненный из слоев песка, синтетического полотна дорнита и щебня.
Как уже отмечалось, наличие напорных вод в выемке приводит к избыточному увлажнению не только земляного полотна дороги, но и грунтов прилегающих откосов выемки. Переувлажнение глинистого грунта откоса преобразует его структуру в текучепластичное состояние и вызывает оползневые явления.
Дополнительный восходящий влагоперенос в течение зимы 2000-2001 года обусловил избыточное увлажнение южного откоса выемки, и весной 2001 года произошло его обрушение с полным завалом кювета на длине около 50 м. Наблюдения в начале августа 2001 года показали, что на высоте до 3 м от поверхности дорожной одежды в зоне обрушения откоса наблюдается высачивание воды, что свидетельствует об отсутствии отвода напорных вод.
Опытно-производственные исследования по диагностике и регулированию водно-теплового режима земляного полотна в выемке были продолжены в конце июля и начале августа 2001 года. После предварительных обследований в третьей декаде августа 2001 г. с целью проведения дополнительных исследований оценки эффективности работы тепловых труб на отметке км 136 + 720_и на отметке км 136 + 675 были пробурены дополнительные скважины с выходом на скальный грунт, залегающий на глубине 10,5 м от поверхности дорожной одежды.
Методы регулирования водно-теплового и деформативного режимов
Как показали результаты полевых исследований, изложенные в разделе 4, на участках автомобильных дорог с глубоким залеганием грунтовых вод проявляется вертикальная знакопеременная нагрузка, вызванная перепадами атмосферного давления. Кроме того, в течение зимнего периода наблюдается увеличение массы промерзающего грунта земляного полотна, обусловленное термоградиентным влагонакоплением. Эти негативные факторы приводят к образованию чаще всего поперечных и продольных трещин дорожной одежды за счет проявления пучений и последующих просадок грунта земляного полотна.
Для предотвращения этих негативных явлений, как указывалось ранее, в зимний период необходимо осуществлять аэрацию подмерзлотной зоны через каналы тепловых труб и термосифонов, использующих теплоту глубинных слоев земляного полотна. При этом тепловые трубы необходимо устанавливать на локальных участках с выраженной трещиноватостью дорожной одежды, в грунтах береговой зоны мостовых переходов для снижения их обводнения. Этот метод рекомендуется применять также в местах сооружения уширений дорог и остановочных площадок, когда существенно возрастает площадь покрытия и, как следствие, суммарная знакопеременная нагрузка.
При строительстве автомобильных дорог в понижениях рельефа, в поймах рек и выемках, гидрологический режим земляного полотна характеризуется избыточным увлажнением, и часто наблюдается высачивание грунтовых вод на дневную поверхность. Промерзание грунта в этих условиях, как правило, сопровождается его пучением с последующей осадкой при оттаивании. В условиях избыточного увлажнения поровое пространство грунта практически полностью заполнено водой, и установка тепловых труб в данном случае позволяет осуществлять не аэрацию подмерзлотной зоны, а сброс избыточного давления, возникающего при пучении грунта, а также разгрузку давления напорных вод в водоносном горизонте, если канал тепловой трубы достигает глубины его залегания.
Анализируя гидрологические условия земляного полотна в зоне сопряжения насыпи с выемкой на примере 136-138км автомобильной дороги «Алтай-Кузбасс», необходимо отметить, что эта часть дороги характеризуется переходным режимом влагопереноса от пародиффузионного в насыпи к переносу влаги в жидкой форме в обводненной выемке. При этом избыточная влага глубинных слоев грунта_входного участка выемки мигрирует в насыпь зоны сопряжения. В этой ситуации установка тепловой трубы в насыпной части зоны сопряжения позволит осуществить запуск атмосферного воздуха в подмерзлотную зону земляного полотна взамен потока влаги, мигрирующей со стороны входного участка выемки.
С учетом диаметра влияния тепловой трубы составляющего около 70 м, для участка сопряжения насыпи с выемкой достаточно установить 2 тепловые трубы, которые позволят снизить обводненность этого переходного участка дороги.
На основе проведенных исследований, предусматривающих регулирование водно-теплового режима грунта земляного полотна в выемке, нами разработаны технические решения, которые позволят комплексно решать задачи водоот-ведения, регулирования теплового режима дорожной конструкции и предотвращения оползневых явлений в откосах выемки.
В основу разработки одного из методов регулирования водного и теплового режимов земляного полотна в обводненных выемках нами были положены результаты испытаний первой тепловой трубы, которая позволила осуществить перехват напорных грунтовых вод и их отвод по затрубному пространству скважины в дренирующий слой земляного полотна и по центральному каналу трубы в кювет дорожной конструкции.
Как показала практика строительства и эксплуатации автомобильных дорог в понижениях и выемках с обводненным грунтом земляного полотна, задача предотвращения разрушения дорожной одежды в результате пучения и последующей просадки рабочего слоя земляного полотна зачастую решается неудовлетворительно .
В связи с этим, на примере выемки км 136 - 137, как наиболее напряженного участка автомобильной дороги «Алтай-Кузбасс», нами разработано комплексное решение задачи разгрузки водоносного горизонта с использованием тепловой трубы вертикального дренажа и фильтрационной защиты земляного полотна путем сооружения дренирующего слоя в виде слоев щебня, крупнозернистого песка и синтетического нетканого материала дорнита с коэффициентом фильтрации 100 м/сутки. При разработке этого метода нами проанализированы близкие по технической сущности инженерные решения. Так, например, известен способ регулирования гидротермического режима земляного полотна автомобильной дороги, включающий сооружение в нем теплоизоляционного и дренирующего слоев (А. С. СССР №1357474 кл. Е01 С 3/00). Недостатком данного способа являются высокие затраты на сооружение теплоизолирующего слоя, предотвращающего глубокое промерзание и пучение грунта земляного полотна.
Наиболее эффективным по сравнению с этим решением является способ регулирования гидротермического режима земляного полотна автомобильной дороги на участках с напорными грунтовыми водами, включающий сооружение в нем дренирующего слоя с дренирующей геотекстильной прослойкой и бурение скважин (А. С. № 1763545 кл. 5Е 01 С 3/06). Недостатком данного способа является его низкая эффективность, обусловленная тем, что в глинистых грунтах земляного полотна с малым коэффициентом фильтрации расход восходящего потока напорных грунтовых вод водоносного горизонта весьма мал и не оказывает существенного утепляющего действия на рабочий слой земляного полотна и дорожную одежду в зимний период и охлаждение дорожной одежды в летний период. Отсутствие эффективной связи с водоносным горизонтом обусловливает промерзание скважин.
В связи с этим решение задачи повышения несущей способности земляного полотна и дорожной одежды путем уменьшения в них температурных градиентов в летнее и зимнее время требует иного подхода, который может базироваться на результатах испытаний первой тепловой трубы в выемке.
Эта задача, на наш взгляд, может быть решена тем, что в способе регулирования гидротермического режима земляного полотна автомобильной дороги на участках с напорными грунтовыми водами, включающем сооружение в нем дренирующего слоя с дренирующей геотекстильной прослойкой и бурение скважин. Бурение скважин осуществляют на глубину залегания водоносного горизонта напорных грунтовых вод, при этом восходящий поток грунтовых напорных вод в скважинах разделяют на два потока, один из которых направляют в дренирующий слой, а другой выводят за пределы земляного полотна.
Величину расхода потока напорных грунтовых вод, направляемого в дренирующий слой, регулируют дросселированием потока выводимого за пределы земляного полотна.
