Вплив природніх факторів на транспортно-експлуатаційні характеристики міських вулиць та доріг

Важливою транспортно-експлуатаційною характеристикою якості дорожнього покриття є швидкість руху автомобільного транспорту, яка у значній мірі залежить від стану проїзної частини. У значній мірі стан проїзної частини залежить від міцності земляного полотна а також міцності дорожнього одягу. Суттєвий вплив на транспортно-експлуатаційні характеристики здійснюють природні фактори, під якими розуміють:

1) зміни температури повітря;

2) атмосферні опади;

3) властивості грунтів;

4) рельєф місцевості;

5) глибина залягання ґрунтових вод.

У районах зі значною кількістю опадів дорожнє покриття знаходиться у вологому стані, що знижує коефіцієнт зчеплення (φ) з колесом автомобіля. Чим товстіша водяна плівка ти менше зчеплення (див. рис.1). Як видно із рисунка, можна виділити 5 характерних ділянок. При сухому покритті (ділянка І) коефіцієнт зчеплення досягає максимуму. При зволоженні значення φ знижується, особливо при наявності пилу. Брудна вода є свого роду мастилом (діл.ІІ). Зі зменшенням пилу та бруду коефіцієнт (φ) зростає (діл.ІІІ). зі збільшенням водяної плівки перед автомобілем, що рухається створюється водяний клин, який зменшує площу контакту шини колеса з покриттям; колесо якби піднімається (діл.ІУ) і на кінець колесо відривається від покриття, стає відсутнім контакт з поверхнею покриття. Наступає так зване гідропланірування. Коефіцієнт (φ) знижується практично до нуля (діл.У). На мокрій та забрудненій дорозі покриття коефіцієнт зчеплення знижується у 1,5-2 рази.

Рис.1. Вплив товщини водяної плівки на коефіцієнт зчеплення автомобільного колеса з покриття м.

При частих відлигах на покриттях утворюється ожеледиця, що суттєво підвищує ковзання, Ожеледиця утворюється при вологості повітря більш ніж 85% при температурі мінус 1-2⁰. При таких умовах водяні пари конденсуються на замерзну тому покритті, або дрібний дощ на протязі короткого часу (Т,год) покриває його льодяною плівкою з максимальною товщиною (h_л,см), яка дорівнює

Де К_b – коефіцієнт, який враховує швидкість вітру (при відсутності вітру К_b =1, а при швидкості вітру 5-10м/с К_b = 1-1,5); t – середня від’ємна температура повітря ⁰С. При товщині шару льоду більш ніж 1мм суттєво збільшується ковзання. Тривалість утворення ожеледиці (тобто час Т) залежить від впливу природніх факторів (температури та вологості повітря) і у кожному конкретному районі приймається по даним гідрометеоцентру. У більшості міст завдяки частим снігопадам різної інтенсивності при переході середньодобової температури через 0⁰ С на проїздній частині утворюється снігово-льодяний накат або лід. Наявність накату або льоду знижує траспортно-експлуатаційні якості покриття: коефіцієнт опору кочення на проїздній частині, покритій снігом збільшується у більше ніж 5 разів, а по обледенілій – у 8-10 разів.

У період снігопаду через 12-15 годин при інтенсивності руху 60авт/год і при температурі повітря не нижче -5⁰С у смузі руху густина снігу збільшується майже у 3,5 рази досягаючи значень 0,55- 0,56 г/см³.

Ущільненому снігу характерна велика засміченість внаслідок випадання твердих опадів із повітря та піску у період ожеледиці. Середнє значення коефіцієнту засміченості (Кз) складає 0.035, а максимальне – 0.18. Під коефіцієнтом (Кз) розуміють відношення маси твердих частинок, які знаходяться у одиниці об’єму снігу або льоду до маси води. Пористість ущільненого снігу велика є при постійному стані засміченості функцією густини. При густині 0.5гс/м3 і при значенні (Кз=0.02) коефіцієнт пористості складає біля 0.45. Пористість ущільненого снігу впливає на коефіцієнт зчеплення колеса автомобіля з покриттям і на використання різних інгібіторів.

При збільшенні засміченості і зменшенні пористості коефіцієнт зчеплення льоду дещо підвищується. Найбільш суттєвий вплив на властивості льоду здійснює його температура, при зниженні якої коефіцієнт зчеплення та міцність льоду підвищується. Встановлено, що адгезія льоду до поверхні асфальтобетонного покриття підвищує його стійкість до руйнівних, розтягуючим та зсувним навантаженням.

Наявність снігу або льоду на проїзній частині погіршує також рівність покриття. Але рівність покриття у значній мірі залежить від міцності земляного полотна та дорожніх одягів, які змінюються на протязі року. У зв’язку із зміною погодно-кліматичних умов змінюється відповідно і режим ґрунтових вод, які впливають на міцність земляного полотна та дорожнього одягу. Міцність дорожніх одягів залежить також на фізико-механічні властивості грунтів та їх нашаруванні на земляному полотні. На міцність дорожніх одягів впливає вологість та густина грунтів пов’язана з щорічним промерзанням та відтаюванням. Промерзання становить собою тепло- масовий процес, пов’язаний з неперервною міграцією вологи у двофазному стані (рідина-пара) та фазовими перетвореннями: кристалізацією, випаровуванням та конденсацією.

У грунтах, які містять значну кількість тонко дисперсних частинок, з розвинутою зовнішньою поверхнею, замерзання води протікає не одночасно: спочатку замерзає вільна вода, з подальшим зниженням температури замерзає зв’язана вода. Процес просування вологи у замерзаючих грунтах у загальному випадку пояснюється (рис.2). При від’ємній температурі глинистого грунту вільна вода, яка знаходиться у найбільш крупних порах, а також у місцях контактів з водяним меніском, замерзає при температурі мінус 0.3-0.5⁰С. Утворені кристали льоду відокремлені від поверхні ґрунтових частинок

Рис.2. Нерівномірність промерзання та відтаювання земляного плотна

плівками зв’язаної води, яка із-зі надлишку тиску у ній замерзає при більш низькій температурі, причому із зменшенням розміру ґрунтових частинок збільшується кількість оточуючих їх адсорбційних водяних плівок. І чим ближче плівка води до мінеральної частинки, тим нижче її температура замерзання а густина вище у порівнянні із зв’язаною водою.

При наступному зниженні температури повітря продовжується знижуватись температура грунту, а молекули води із навколишніх водяних оболонок знову підтягуються до кристалів льоду, ці молекули вбудовуються у кристалічну решітку, яка росте у напрямку зниження градієнту температури. При цьому підвищується концентрація іонів у плівках зв’язаної води і виникає різниця осмотичних тисків між плівками у зоні промерзання і плівками у тій частині грунту, яка ще не промерзла. Під впливом різниці тисків зв’язана вода мігрує за напрямком до кристалів льоду. В результаті цього процесу об’єм кристалів росте перетворюючись у льодяні лінзи та прошарки. Якщо у подальшому об’єм льоду не росте, то це означає порушення суцільності водяних плівок у зоні промерзання грунту при даній температурі.

В залежності від погодно-кліматичних умов місцевості процес міграції вологи продовжується у продовж кількох зимніх місяців, при чому ріст льодяних кристалів і відповідно морозне підняття дорожнього полотна досягає декількох сантиметрів. Асфальтобетонні та цементнобетонні покриття погано опираються напругам розтягу. Навесні льодяні лінзи та прошарки тануть. У верхній частині земляного полотна з’являється вільна вода, яка перезволожує розмерзлий грунт у подальшому з’являється на поверхні дорожнього одягу

Таким чином вспучуванням називають процес накопичення вологи у верхніх шарах земляного полотна, що супроводжується підняттям дорожніх одягів узимку та перезволоженням грунту у період відтаювання..

Газони та роздільні смуги взимку мають сніжний покров значної товщини. Коефіцієнт температуропровідності дорожньої одежі у 1.5 - 2 рази вище ніж грунту на газонах та роздільних смугах. Таким чином безпосередньо під дорожнім одягом спостерігається більш низька температура, а тому і більша глибина промерзання – Z_пр (див. рис.2).

Волога під дією температурного градієнту із більш теплих шарів мігрує у напрямку знизу із боків по напрямку до дорожнього одягу, де проходить основна втрата тепла, що приводить до морозного вздуття, яке досягає максимуму. Крім цього з часом погіршуються властивості грунту, що погіршує якість умов роботи дорожнього одягу. При вдосконалених типах покриттів суттєво знижується аерація верхньої частини земляного полотна. В результаті цього процесу зволоження пильоваті покровні суглинки через 15-20 років перетворюються у районах ІІ кліматичної зони у оглеєні, тобто грунти старіють, підвищується водоутримуюча здатність, що приводить до пониження їх міцності. Природно, у результаті цього знижується і міцність дорожніх одягів.

Водно- тепловий режим земляного полотна у значній мірі залежить від процесу інфільтрації поверхневої води, які поступають у корито із газонів, роздільних та зелених смуг, а також тріщини покриття та місця спряження дорожнього одягу із бортовим каменем, люками підземних споруд та трамвайного полотна.

Для забезпечення нормальних умов руху транспорту та пішоходів необхідно прогнозувати можливість утворення здуття та ожеледиці, а також зсуви грунту по відкосам дорожнього полотна, тобто розуміти природу цих явищ.