ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВОДОНЕПРОНИЦАЕМОГО МАТЕРИАЛА НА ВОДНО-ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ ГРУНТОВОГО ОБРАЗЦА

Полный текст

Ямало-Ненецкий автономный округ занимает лидирующие позиции среди регионов России по положительной динамике индикаторов социальноэкономического развития, в первую очередь - по добыче газа и объему промышленного производства. Зафиксировано устойчивое развитие производства автономного округа по основным отраслям и повышение уровня жизни населения. Автомобильные дороги являются важнейшей составной частью транспортного комплекса автономного округа. Недостаточный учёт природно-климатических усло вий при проектировании автомобильных дорог в районах вечной мерзлоты приводит к ухудшению свойств грунтов земляного полотна и основания автомобильных дорог, что в свою очередь приводит к разрушению дорожной одежды [11-13]. Кроме того, возведение искусственных сооружений приводит к изменению температурного и влажностного режимов грунтов земляного полотна и основания автомобильных дорог. В этой связи актуальной задачей является изучение водно-теплового режима земляного полотна и основания автомобильной дороги на многолетнемерзлых грунтах. Водно-тепловым режимом (ВТР) называют изменения влажности и температуры в различных точках земляного полотна, происходящие в различные сезоны года. Изучение этих изменений и надлежащий их учет имеет важное значение при проектировании автомобильных дорог [1, 2]. Закономерностью изменения теплового и водного режимов земляного полотна автомобильных дорог занимались как отечественные, так и зарубежные авторы. Основные закономерности изменения теплового и водного режима земляного полотна и основания автомобильной дороги представлены в работах М.И. Сумгина и Л.А. Разумова [3, 4]. Большой вклад в изучение движения влаги при температурном градиенте внес А.М. Глобус, высказав мнение, согласно которому при разной влажности грунта механизм переноса влаги различен [5]. Особенности Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 4 (21) 54 Архитектура. Градостроительство. Дизайн морозного пучения и оттаивания грунтов были рассмотрены в работе В.Н. Парамонова и А.В. Набокова [6]. Процесс промерзания характеризуется замерзанием свободной воды, находящейся в порах грунта. Очень важную роль в процессе промерзания грунта играет его влажность. С одной стороны, при большой влажности грунта теплопроводность увеличивается и способствует большему прониканию отрицательных температур, а с другой - этому препятствует выделение скрытой теплоты при замерзании воды (80 кКал на 1 л воды). Исследование водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог берет начало в 1927-1928 гг., тогда Н.А. Пузаковым была разработана методика наблюдения за изменением ВТР. В 1946 г. были выпущены рекомендации «Технические правила возведения земляного полотна автомобильных дорог». Факторы, влияющие на влажность грунтов в течение годового цикла, можно разделить на две группы. К первой группе относятся такие факторы, как рельеф местности и тип грунта, ко второй группе - температура воздуха, испарение, количество выпавших осадков. Комплекс мероприятий по регулированию водно-теплового режима грун тов земляного полотна рассмотрен в [7]. В данной работе основные способы регулирования представлены в сле дующем виде: - удаление низа дорожной одежды от горизонта грунтовых 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. Вопрос конструктивных решений по укреплению основания и насыпи земляного полотна автомобильных дорог в условиях Крайнего Севера детально рассмотрен в работах [8-10]. Проанализировав имеющиеся достижения в области регулирования воднотеплового режима земляного полотна, необходимо отметить, что акцент сделан на промерзающие грунты, в области же вечной мерзлоты информация практически отсутствует, поэтому вопрос остается актуальным. Температурный режим грунтов и движение фронта промерзания является важнейшей составляющей при исследовании водно-теплового режима грунтов. Для их исследования была поставлена задача проведения эксперимента с односторонним промерзанием образца грунта. Суть эксперимента заключалась в исследовании процесса промерзания образца грунта, представленного в виде суглинка. Для наблюдения за фронтом промерзания грунта были изготовлены три экспериментальные установки. Схемы экспериментальных установок для испытания образцов грунта представлены на рис. 1. Физические свойства исследуемого грунта показаны в табл. 1. Образцы грунта были изготовлены цилиндрической формы высотой 150 мм, диаметром 102 мм. Экспериментальная установка представляет собой цилиндрическую форму, внутрь которой помещается грунт. По высоте испытуемого образца устанавливались датчики измерения температуры: первый датчик размещался на поверхности образца; второй - посредине, на расстоянии 75 мм от поверхности грунтового образца; третий - внизу экспериментальной установки на расстоянии 150 мм от поверхности грунтового образца (рис. 1, а). Для регистрации вертикальных перемещений использовались индикаторы часового типа с точностью измерения 0,01мм. Ножка индикатора опиралась на пластину, лежащую на поверхности грунта, а фиксация самого индикатора выполнялась с помощью магнитной стойки. Для моделирования работы образца грунта в естественных условиях была изготовлена вторая экс- Таблица 1 Физические свойства грунта № образца Масса, г Плотность влажного грунта ρ, г/см3 Плотность сухого грунта ρ, г/см3 Природная грунта влажного m влажность w 1 грунта сухого m2 воды в грунте mw 1 91,4 66,95 24,45 1,86 1,36 0,37 2 88,15 63,90 24,25 1,78 1,29 0,38 3 89,2 64,00 25,20 1,80 1,29 0,39 55 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 4 (21) Т.В. Пермитина Рис. 1. Схемы экспериментальных установок для испытания образцов грунта: 1 - теплоизолятор; 2 - датчики измерения температуры; 3 - исследуемый грунт; 4 - емкость для воды; 5 - трубка для подтока воды периментальная установка (рис. 1, б). Она представляет собой цилиндрическую форму, выполненную из пенопласта, с установленной дополнительной цилиндрической ёмкостью из пенопласта, которая обеспечивала подток воды в образец грунта при помощи трубки. Во избежание протекания воды конструкция герметизировалась при помощи монтажной пены. По высоте испытуемого образца устанавливались датчики измерения температуры по аналогии экспериментальной установки №1. Третья экспериментальная установка представляет собой цилиндрическую форму, внутрь которой помещается испытуемый образец грунта. Подток воды обеспечивается как во второй экспериментальной установке. Так как в дорожном строительстве нередко используются водонепроницаемые материалы Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 4 (21) 56 Архитектура. Градостроительство. Дизайн для предупреждения чрезмерного пучения грунта, в третьем образце было предложено устроить горизонтальную водонепроницаемую прослойку, выполненную из полиэтиленовой плёнки. Водонепроницаемая прослойка располагалась горизонтально, посредине испытуемого образца грунта. По высоте устанавливались датчики измерения температуры: первый датчик устанавливался на поверхности образца; второй - перед водонепроницаемой прослойкой на расстоянии 70 мм от поверхности грунта; третий - после водопроницаемой прослойки на расстоянии 80 мм от поверхности грунта; четвертый - внизу испытываемого образца на расстоянии 150 мм от поверхности грунта (рис. 1, в). Измерение и контроль температуры осуществлялся при помощи программы «Temp. Keeper». Эксперимент проводился при температуре Tsurf = - 8 °С. Предварительно морозильная камера охлаждалась, после этого заранее подготовленные образцы выставлялись в камеру (рис. 2). Критерием полного промерзания образца считался момент времени, при котором температура нижнего датчика опускалась до температуры окружающего воздуха (- 8 °С). Эксперименты проводились по трем вышеперечисленным схемам. При проведении экспериментов фиксировались следующие параметры: время замерзания, температура и вертикальные деформации поверхности образцов. После проведения серии экспериментов выполнялась обработка полученных результатов. На рис. 3 показана зависимость температуры и деформации поверхности образца во времени. В результате проведения эксперимента по схеме №1 (рис. 1, а) вертикальные деформации поверхности образца грунта составляют Smax = 0,002 мм. Время промерзания образца грунта при температуре наружного воздуха -8 °C составило 174 ч (7 сут 6 ч). При проведении эксперимента по схеме №2 (рис. 1, б) (с подтоком воды) время промерзания образца грунта составило 131 ч (5 сут 11 ч), максимальные вертикальные деформации образца грунта Smax = 0,57 мм. Для эксперимента, выполненного по схеме №3 (рис. 1, в) (с подтоком воды и водонепроницаемой прослойкой), время промерзания образца грунта составило 143 ч (5 сут 23 ч), максимальные вертикальные перемещения поверхности образца составили Smax = 0,285 мм. В результате проведения эксперимента: 1) по схеме №1 (рис. 1, а): • время промерзания образца грунта при температуре наружного воздуха t = - 8 °C составило 174 ч (7 сут 6 ч); • вертикальные деформации поверхности образца грунта Smax = 0,002 мл; 2) по схеме №2 (рис. 1, б) (с подтоком воды): • время промерзания образца грунта при температуре наружного воздуха t = - 8 °C составило 174 ч (7 сут 6 ч); • максимальные деформации поверхности образца грунта Smax = 0,002 мл; Рис. 2. Общий вид экспериментальных установок при проведении экспериментов 57 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 4 (21) Т.В. Пермитина 3) по схеме №3 (рис. 1, в) (с подтоком воды): • время промерзания образца грунта при температуре наружного воздуха t = - 8 °C составило 174 ч (7 сут 6 ч); • максимальные деформации поверхности образца грунта Smax = 0,002 мл; Выводы. 1. По результатам проведенных экспериментов при Tsurf = - 8 °С можно сделать следующие выводы: - максимальные перемещения поверхности образца грунта наблюдались в экспериментальной установке №2 (с подтоком воды, без водонепронецаемого элимента), что обусловливается свободным притоком воды к фронту промерзания; - свободный приток воды к фронту промерзания в экспериментальной установке №2 сокращает период полного замерзания образца по сравнению с образцом №1 на 32 %, где подток воды отсутствует, и с образцом №3 - на 9 %, где устраивалась водонепроницаемая прослойка; - влияние водонепроницаемой прослойки (экспериментальная установка №3) приводит к снижению Рис. 3. Графики зависимости температуры и деформации поверхности образцов грунта от времени: 1 - теплоизолятор; 2 - датчики измерения температуры; 3 - исследуемый грунт; 4 - емкость для воды; 5 - трубка для подтока воды Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2015 | № 4 (21) 58 Архитектура. Градостроительство. Дизайн деформаций поверхности образца на 21 % по сравнению с образцом №2, где прослойка отсутствует. 2. Выявлено влияние водонепроницаемого элемента, размещенного горизонтально, на перемещения поверхности грунтового образца в процессе промерзания и оценена скорость движения фронта промерзания образцов при Tsurf = - 8 °С. 3. Предложена гипотеза регулирования воднотеплового режима земляного полотна и основания автомобильной дороги на многолетнемерзлых грунтах, заключающаяся в размещении в конструкции земляного полотна и основания автомобильной дороги материала различной степени водопроницаемости.

Об авторах

Татьяна Владимировна ПЕРМИТИНА

Тюменский государственный архитектурно-строительный университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Список литературы

Дополнительные файлы