научная статья по теме РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ СТРОИТЕЛЬСТВА И РЕМОНТА ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ, ПРЕПЯТСТВУЮЩИХ ОБРАЗОВАНИЮ МОРОЗОБОЙНЫХ ТРЕЩИН Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ СТРОИТЕЛЬСТВА И РЕМОНТА ЛЕСОВОЗНЫХ ДОРОГ, ПРЕПЯТСТВУЮЩИХ ОБРАЗОВАНИЮ МОРОЗОБОЙНЫХ ТРЕЩИН»

Бургонутдинов А.М., доцент Юшков В.С., аспирант, зав. лабораторией

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ СТРОИТЕЛЬСТВА И РЕМОНТА ЛЕСОВОЗНЫХ

ДОРОГ, ПРЕПЯТСТВУЮЩИХ ОБРАЗОВАНИЮ МОРОЗОБОЙНЫХ ТРЕЩИН

В статье рассматривается образование трещин на лесовозных дорогах, связанных с сезонным промерзанием и оттаиванием грунта. Приведены экспериментально-теоретические исследования и установлены основные причины образования морозобойных трещин, а также математически определена длина зон сопряжения насыпей с выемками.

Ключевые слова: трещина, модуль упругости, дорожная конструкция, грунт, активный слой, лесовозные дороги, теплопроводность, водонасыщенность.

DEVELOPMENT WAYS OF CONSTRUCTION AND REPAIR THE LESOVOZNYH ROADS INTERFERING FORMATION CRACKS

In clause formation of cracks on earth roads connected with seasonal freezing and thawing of ground is considered. Experimental - theoretical researches are given and principal causes of formation cracks are established, and also analyticallythe length of zones of interface embankments with dredging is determined.

Keywords: crack, the module of elasticity, road design, ground, an active layer, earth roads, heat conductivity, water-saturation.

В стратегии развития лесопромышленного комплекса России на период до 2020 года, рассмотренной и одобренной на ХШ Петербургской Международном лесном форуме, обозначены основные направления - реализация проектов по комплексной переработке древесины, развитию инфраструктуры, лесного дорожного строительства. Для сохранения конкурентоспособности предприятий необходимо сокращать время от заготовки леса до его обработки. В этих условиях важно переходить к интенсивному ведению лесного хозяйства. Для этого необходимо создание густой сети лесных дорог и круглогодичное использование автомобильных дорог общего пользования.

Освоение природных богатств Урала требует строительства современных лесовозных автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями, что приводит к использованию в теле земляного полотна сезоннопромерзающих глинистых грунтов.

При промерзании оголенных от снега и снежноледяных отложений поверхностей дорог происходит объемное уменьшение, сопровождающееся образованием трещин. Расстояние между трещинами достигает 10.. .60 метров, а ширина раскрытия 2.. .8 см.

При сезонном промерзании и оттаивании дорожной конструкции вглубь дорожной одежды через трещины проникает вода, которая затем превращается в лед, что способствует дальнейшему росту образовавшейся трещины. В дальнейшем трещины приводят к увеличению глубины промерзания грунта земляного полотна и дорожной одежды в целом, при оттаивании - снижение модуля упругости на поверхности покрытия и как следствие - это снижение сроков службы дороги и снижения рентабельности лесопромышленности.

Как правило, трещины развиваются на одних и тех же местах в течение многих лет, и чем холмистее местность и больше водонасыщенность грунта, тем сильнее развиваются трещины вглубь грунта в зависимости от степени охлаждения [1].

В связи с тем, что верхний слой современной лесовозной автомобильной дороги представлен асфальтобетонным покрытием, который является термически активным, приобретаемая асфальтобетоном энергия (R) в солнечную погоду трансформируется в тепловую и

расходуется на турбулентный теплообмен с атмосферой (Р), на испарение влаги с подстилающей поверхности в атмосферу (ЬМ) (произведение скрытой теплоты испарения -(Ь) на количество испарившейся влаги - (М) и на теплообмен с подстилающими породами (В). За определенный промежуток времени (например, за полугодие) уравнение теплового или, точнее, радиационно-теплового баланса подстилающей поверхности может быть представлено в виде:

Я = Р + ЬЕ + В. (1)

Процесс передачи тепла (В) от подстилающей поверхности в нижележащие породы и наоборот осуществляется главным образом с помощью кондуктивного и конвективного механизмов [2]. Под кондуктивным теплообменом понимается молекулярный перенос тепла в однородных сплошных средах, реализующийся за счет теплопроводности пород. Конвективная передача тепла осуществляется веществом, перемещающимся по порам, пустотам, трещинам путем конвекции воды, газов, водяного пара и др.

Теплоперенос за счет конвекции в естественных условиях оказывается весьма ощутимым при фильтрации свободной воды по порам и трещинам, что приводит к преждевременному разрушению линейности лесовозной дороги. Имеющиеся данные об исследованиях в этой области показывают, что в России с её суровыми климатическими условиями трещины в асфальтобетонных покрытиях лесовозных дорог являются основным из основных факторов, вызывающих преждевременное разрушение дорожных конструкций. В зависимости от до-рожно-климатической зоны расположения лесовозной дороги доля этого дефекта колеблется от 40. ..80 % (рис. 1).

Рис. 1. Трещины на а/дороге «Чусовая-Соликамск», с движением лесопоездов

большой грузоподъёмности

На основании проведённых экспериментально-теоретических исследований о состоянии дорог в Пермском крае было определено, что после сдачи дороги в эксплуатацию, уже в первый год эксплуатации появляются трещины на поверхности асфальтобетонного покрытия на участках сопряжений насыпей с выемками. Проведённый обзор научной литературы и исследований показал, что появление трещин на участках сопряжений насыпей с выемками и механизма их образования до настоящего времени полностью не изучены [3].

Экспериментальные лабораторные исследования искусственно уплотнённых насыпных и грунтов естественной структуры проводились в двух типах контейнеров размерами 60^50x120 см. У первых контейнеров стенки и дно были обшиты листовым пенопластом ПСБ-С-35 для исключения оттока тепла в боковом направлении и вниз, у вторых - листо-

вым пенопластом URSA N-III дно по всей. Экспериментальные исследования выполнены в холодильной камере VEB ILKA TBV 1000 при различных отрицательных температурах, сравнимых с естественным фоном в Пермском крае. Ветровой поток от вентилятора позволял имитировать низовую метель, которая способствовала промораживанию верхних слоёв дорожной конструкции модели автомобильной дороги. Для чистоты экспериментов в термобарокамере TBV-1000 регулировалась температура от минус 30°С до 5°С, а также создавалась влажность, близкая к атмосферной. В ходе экспериментальных работ обнаружили, что на образцах появляются и со временем увеличиваются морозобойные трещины. В процессе экспериментов фиксировали время появления, место появления и направление развития трещин. Они развиваются в направлении снизу вверх в местах сопряжения моделей насыпи и выемки (рис. 2).

Грунты искусственно-уплотнённые нарушенной структуры

Рис. 2. Модель участка сопряжения насыпи с выемкой.

Срез дорожной одежды: 1 - асфальтобетонные слои; 2 - щебень фракционированный;

3 - песчано-гравийная смесь; 4 - песок; 5 - суглинок

Лабораторными опытами было установлено, что температура начала замерзания грунта насыпи составляет 0 0С, а в выемке - минус 0,5 0С, что в дальнейшем подтвердилось при полевых исследованиях. Поэтому многократно повторяющийся процесс сезонного промерзания и оттаивания дорожной конструкции в местах сопряжения насыпи с выемкой приводит к неравномерной усадке данных участков, концентрации в них напряжений и, соответственно, появлению поперечных трещин с различным шагом. В зависимости от плотности грунта, частичной засолённости и низкой температуры грунта (до -500 С) часть жидкой фазы не промерзает [4]. Поэтому в течение всего морозного периода происходит диффузия водяного пара, миграция жидкой фазы и льдообразование. Жидкая фаза испаряется и замерзает, водяной пар конденсируется на жидкой или твёрдой фазе. Грунт насыпи интенсивнее нагревается весной и летом и быстрее охлаждается осенью и зимой. Следовательно, наличие или отсутствие жёстких структурных связей между частицами глинистого грунта существенно влияет на значения коэффициента теплопроводности. Это объясняется тем, что передача тепла в грунте выемки осуществляется от частицы к частице через жесткие связи, а в насыпях - через плёнки связной воды, обволакивающие глинистые частицы. Теплопроводность скелета грунта выше тепловодности воды. Поэтому коэффициенты температуропроводности и теплопроводности для грунта естественной структуры в выемке всегда выше, чем у грунта насыпи с нарушенной структурой. Весной и осенью происходит перераспределение влаги не только между слоями дорожной конструкции, но более интенсивно на границе сопряжения насыпи с выемкой. Обогащение грунта выемки водой в переходный период наиболее интенсивно идёт в активном

слое, на глубине 1,5-2,0 м, и направление потоков влаги с вертикалью составляет угол, близкий к 30°, что и объясняет структуру морозобойного растрескивания слоёв дорожной одежды.

В глинистых грунтах скорость распространения потенциалов тепла выше скорости распространения потенциалов влаги. При этом, в грунтах с нарушенной структурой относительная скорость перемещения влаги выше скорости распространения тепла.

Для водонасыщенных глинистых грунтов закон теплопроводности выражается следующим соотношением:

- я = -Х-У-^ • к-5-VI- • к-рй , (2)

где 1к и ^ - удельное теплосодержание воды, переносимой внутри грунта по градиенту температуры и градиенту влажности; V/ - градиент температуры грунта; УЖ - градиент влажности грунта; к - коэффициент влагопроводности грунта; рй - плотность сухого грун-

та; 5 - термоградиентный коэффициент.

дн

Из условий стационарного переноса тепла (— = 0), уравнение теплопроводности (2) за-

дт

пишется следующим образом:

Я = - [ Х + (!,-¡н)крй5 ] V/ (3)

или: я = - Х3У (4)

где Xэ - эквивалентный коэффициент теплопроводности влажного грунта, равный:

^э = Х[1 + КРХ5( I,-Iн)] . (5)

Хэ

Из (5) следует, что = I + к^, X

где Кх _ безразмерный критерий теплопроводности влажного грунта, равный:

К =

КР^ 5

Х X

( I , -I н ) . (6)

По физическому смыслу критерий теплопроводности влажного грунта выражает относительное увеличение коэффициента теплопроводности за счет переноса влаги:

= ХЭ-X = ух Кх = X = X

В с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук»