Формулы профессора Н. А. Пузакова к трем расчетным схемам пучинообразования по величине и характеру источника увлажнения.

В земляном полотне автомобильных дорог протекают сложные водно-тепловые процессы, в результате которых в различных точках грунтового массива меняется количество влаги, состояние воды, а вместе с тем – прочность и несущая способность дороги. Одним из наиболее ощутимых проявлений водно-тепловых процессов можно считать пучины (рисунок), возникающие вследствие промерзания грунта и миграции влаги из нижних слоев в зону активного охлаждения. На интенсивность пучинообразования влияет быстрота охлаждения активного слоя и поступления в почву влаги. При небольших морозах грунты промерзают медленно, имеется достаточно времени для подтока воды, поэтому интенсивно идет образование ледяных линз. При сильных морозах, наоборот, происходит быстрое промерзание грунта; вода не успевает перераспределиться, и поэтому ледяные линзы не образуются.

Рисунок. Образование донника:

а – промерзание грунта под проезжей частью; б – оттаивание грунта весной;

1 – граница промерзания; 2 – ледяные линзы; 3 – мерзлый грунт;

4 – оттаявший сильно переувлажненный грунт; 5 – снег

Большое влияние на миграцию влаги в зону отрицательных температур оказывают тип грунта и степень его уплотнения. Песчаные грунты обладают малой поверхностной энергией и промерзают без образования ледяных линз. Пылеватые грунты обладают значительной поверхностной энергией и небольшим сопротивлением подъему воды в порах, вследствие чего в этих грунтах происходит интенсивное вертикальное перемещение воды, а при замерзании образуются ледяные линзы. Глинистые грунты обладают огромной поверхностной энергией и большим сопротивлением перемещению воды в порах. Однако скорость перемещения воды в таких грунтах небольшая; при отрицательных температурах они не успевают промерзнуть быстрее, чем вода поднимется в активную зону. Важную роль в процессе пучинообразования также играют гидротехнические условия. Профессор Н.А. Пузаков выделяет три расчетные схемы пучинообразования по величине и характеру источника увлажнения:

1) для сухой местности с обеспеченным стоком поверхностных вод;

2) для районов с достаточным количеством осадков или мест, где затруднен сток поверхностных вод;

3) для мест, где имеется постоянный источник увлажнения, т.е. близок уровень грунтовых вод, длительно стоит вода в каналах или резервах и т.д.

К каждой расчетной схеме проф. Н.А. Пузаков предлагает формулы для контроля водно-теплового режима земляного полотна:

1-я схема

; (1)

2-я схема

; (2)

3-я схема

, (3)

где w₀ – максимальная молекулярная влажность грунта, доли единицы;

w₁– влага в грунте, не способная к передвижению, доли единицы;

w_кап– капиллярная влагоемкость грунта, доли единицы;

w_ос– начальная осенняя влажность грунта, доли единицы;

k₂– средний коэффициент влагопроводимости, см²/сут;

k_кап– коэффициент капиллярной влагопроводимости, см²/сут;

a₀ – параметр, зависящий от физических свойств грунта и климатических особенностей района, см²/сут,

; (4)

h – глубина залегания грунтовых вод от поверхности дороги, см;

T – продолжительность промерзания грунта, сут;

z – наибольшая глубина промерзания, см.

Формулы взяты из книжки: Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд / Под ред. И.А. Золотаря, Н.А. Пузакова. – М.: Транспорт, 1971 год.

Как видно из формул (17.1) – (17.3), пучение грунта также зависит от особенностей климата данной местности. Исходя из климатических условий, территорию Беларуси по этому признаку целесообразно разделить на 4 зоны (рисунок) – северо-восточную, центральную, северо-западную и юго-западную.

Рисунок. Схематическая карта районирования Беларуси

Северо-восточная зона. Продолжительность зимы – около 120 дней. Устойчивый снежный покров образуется каждую зиму и залегает в среднем 100-120 дней. Оттепелей бывает сравнительно мало. Промерзание грунта начинается в конце октября – начале ноября, а оттаивание – в конце марта – начале апреля. Средняя многолетняя отрицательная температура воздуха колеблется от –7 до –8 ºС. Осадков выпадает около 600 мм.

Центральная зона. Продолжительность зимы – около 100 дней. Устойчивый снежный покров лежит 80-100 дней. Промерзание грунта начинается в начале ноября, а оттаивание – в начале апреля. Средняя многолетняя отрицательная температура воздуха – от -6 до -8 ºС. Осадков выпадает около 650 мм.

Северо-западная зона. Продолжительность зимы – около 80 дней со значительным числом оттепелей и большим количеством осадков – около 700 мм. Средняя отрицательная температура воздуха находится в пределах от -5 до -6 ºС.

Юго-западная зона характеризуется большим числом оттепелей; раз в десять лет снежный покров почти не устанавливается; продолжительность зимы – около 60 дней. Средняя отрицательная температура воздуха – около –4,5 ºС. Осадков выпадает примерно 500 мм.

Анализируя формулу (3), нетрудно заменить, что пучение зависит, главным образом, от уровня грунтовых вод и глубины промерзания грунта.