Введение
Для более длительного периода эксплуатации необходимо проводить своевременный контроль состояния автомобильной дороги, который включает в себя отслеживание изменения эксплуатационных параметров, одним из которых является наличие дефектов. [1] Контроль над деформациями включает в себя измерение и наблюдение за различными трещинами, выбоинами, просадками, сдвигами, которые, в свою очередь, зависят от следующих факторов: транспортной нагрузки, климатических и грунтово-гидрологических условий и морозного пучения. [2] Также эксплуатационное состояние автомобильных дорог и межремонтные сроки эксплуатации напрямую зависят от мероприятий по содержанию дорог, их своевременного выполнения и правильности.
Одним из главных факторов, влияющих на деструктивные изменения дорожной конструкции, является морозное пучение. [3]
В настоящем времени процесс морозного пучения изучен достаточно широко, имеются различные экспериментальные данные, касаемо деформаций морозного пучения, изучен процесс, динамика и закономерности развития деформаций в различных грунтах. Исследованиями по данной теме занимались М.Н. Гольдштейн, Э.Д. Ершов, А.П. Бажанов, Н. А. Цытович и другие. [4-6]
Однако имеются нераскрытые вопросы, затрагивающие морозное пучение автомобильных дорог, особенно на территории сезонно мерзлых грунтов.
Цель данного исследования – изучение процесса морозного пучения сезонномерзлых грунтов на территории города Санкт-Петербург и контроль над изменением величины деформаций, возникающих на дорожном покрытии.
Объект исследования
Объектом исследования выбрана Свердловская набережная города Санкт-Петербург. На рассматриваемом участке по всей протяженности выявлены просадки и трещины асфальтобетонного покрытия тротуара, образованные в результате подмыва дорожной конструкции водой и возможного морозного пучения. На рис. 1 и 2 приведены деформации покрытия, а именно: просадка покрытия и трещины в результате просадок.
Рис. 1. Просадка покрытия
Рис. 2. Трещины в асфальтобетонном покрытии
Вследствие обнаружения данных дефектов, образовавшихся из-за подмыва набережной, было принято решение провести исследование на предмет развития морозного пучения и деформаций с течением времени.
Теплотехнический расчет
Для исследования влияния морозного пучения на выбранный участок автомобильной дороги был произведен теплотехнический расчет дорожной конструкций. Также он проводится с целью определения температурной устойчивости и деформационного поведения материалов при различных условиях эксплуатации дорожных покрытий. [7] Это важный этап проектирования и строительства автомобильных дорог. Расчет на морозоустойчивость необходимо выполнять для характерных участков или групп характерных участков дороги, сходных по грунтово-гидрологическим условиям, имеющим одну и ту же конструкцию дорожной одежды и схему увлажнения рабочего слоя земляного полотна. [8]
Таким образом, был произведен расчет на морозоустойчивость на участке автомобильной дороги для скважины, которая представлена на рис. 3.
Рис. 3. Исследуемая скважина
Расчет производился по двум методикам:
1) по нормативной методике согласно [9]
Было установлено, что при данных инженерно-геологических условиях, допустимая величина морозного пучения для капитального типа дорожной одежды составит 4,8 см.
При предварительной проверке на морозоустойчивость величина возможного морозного пучения определена по формуле:
9.816 см > 4.8 см, следовательно, конструкция не считается морозоустойчивой согласно данной методике.
2) по методике РОСДОРНИИ согласно [10]
Согласно данной методике, определена минимальная высота морозозащитного слоя дорожной конструкции с учетом глубины промерзания, которая составила по формуле:
Произведенный расчет конструкции на морозоустойчивость показал, что при исходных данных конструкция не обладает должной высотой морозозащитного слоя, следовательно, в дорожной конструкции происходит процесс морозного пучения, требующий капитального ремонта и принятия мер по устранению морозного пучения. Было принято решение провести дополнительные исследования возникающих деформаций дорожного покрытия и установить фактор влияния процесса морозного пучения.
Методика исследования
В данной статье будет рассмотрен тепловизионный метод исследования автомобильной дороги на предмет наличия дефектов и причин возникновения морозного пучения. [11] Тепловизоры часто используются при обследовании различных эксплуатационных показателей автомобильных дорог. [12]
Одним из таких приборов для оценки изменения температурных полей с течением времени был выбран тепловизор Testo-882.
Тепловизор Testo-882 - это высокотехнологичное устройство для измерения температурных полей, которое активно используется в строительной отрасли. Он обеспечивает надежное и точное отображение температурных измерений и позволяет обнаруживать тепловые утечки, влажность и другие проблемы. [13] В тепловизоре Testo 882 используется инновационная технология SuperResolution, которая обеспечивает максимальную четкость и качество изображения. Кроме того, устройство компактное, что делает его легко переносимым и простым в использовании. На рис. 4 представлена схема тепловизора.
Рис. 4. Схема тепловизора Testo-882:
1 – дисплей; 2 – кнопки управления; 3 – кнопка фиксации аккумулятора прибора;
4 – метрическая резьба; 5 – правая интерфейсная клемма; 6 – кнопка для включения/отключения моторизованного фокуса;
7 – светодиоды; 8 – объектив цифровой камеры; 9 – лазер; 10 – объектив инфракрасной камеры; 11 – ручная фокусировка;
12 – кольцо фиксации объектива; 13 – моторизованная фокусировка; 14 – запись изображения; 15 – левая интерфейсная клемма; 16 – С/Д-индикатор состояния
Методика исследования морозного пучения с использованием тепловизора состоит из следующих шагов:
- определение общих принципов действия тепловизора и его использования при исследовании морозного пучения автомобильных дорог;
- определение параметров и критериев оценки морозного пучения на основе данных, получаемых с помощью тепловизора;
- выбор участков покрытия автомобильной дороги для проведения экспериментальных исследований;
- проведение эксперимента с использованием тепловизора для оценки морозного пучения;
- анализ полученных данных в ходе эксперимента;
- результат экспериментальных исследований.
Таким образом, экспериментальная часть исследования будет ориентирована на оценку геометрических изменений деформаций автодорог в условиях сезоннопромерзающих грунтов и переменной температуры, что также поможет установить, как процесс морозного пучения влияет на дорожную конструкцию.
Анализ полученных данных
Обследование выбранных участков дороги производилось в марте, апреле, июле и октябре при различных погодных условиях. Погодные условия в дни эксперимента приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Погодные условия в дни эксперимента
|
Дата эксперимента |
Температура воздуха, °С |
Влажность, % |
Скорость ветра, м/с |
|
19.03.2023 |
+4 |
77 |
1,3 |
|
05.04.2023 |
+5 |
84 |
1,7 |
|
15.07.2023 |
+22 |
67 |
5 |
|
08.10.2023 |
+4 |
89 |
6 |
На рис. 5 представлен один из исследуемых участков автомобильной дороги с дефектами.
Рис. 5. Исследуемый участок автомобильной дороги
Зная методику работы с тепловизором, приступим к обработке получившихся снимков. Также составим температурные профили, которые представлены на рис. 6.
Рис. 6. Температурные профили в период с 19.03.2023 по 08.10.2023: а) Температурный профиль исследуемого участка (19.03.2023);
б) Температурный профиль исследуемого участка (05.04.2023); в) Температурный профиль исследуемого участка (15.07.2023);
г) Температурный профиль исследуемого участка (08.10.2023)
Согласно температурным профилям, были выявлены значения средней, максимальной и минимальной температуры дефектов на выбранном участке автомобильной дороги. Результаты отображены в таблице 2.
Таблица 2.
Изменение температуры деформации выбранного участка автомобильной дороги
|
Дата измерения |
Тср, °С |
Tmax |
Tmin |
|
19.03.2023 |
7,8 |
8,3 |
5,9 |
|
05.04.2023 |
3,0 |
3,5 |
1,7 |
|
15.07.2023 |
36,6 |
37,8 |
32,8 |
|
08.10.2023 |
4,3 |
4,6 |
3,6 |
Таким образом, в ходе исследования было выявлено, что температура участка с деформациями изменялась в зависимости от температуры окружающей среды. Также заметна значительная разница температур в области дефекта и окружающем его покрытии. Температура на поверхности автомобильной дороги не снижалась ниже 1,7 °С. Следовательно, для более корректного изучения влияния процесса пучения необходимо провести измерения при переходе температуры поверхности участка в отрицательные значения. Также необходимо дальнейшее лабораторное исследование характеристик грунтов для понимания, подвержен ли исследуемый грунт морозному пучению.
Как итог, можно сделать вывод, что изучение причин возникновения и прогрессирования процесса морозного пучения в результате активного фазового перехода воды, таяния льда, а также при изменении температуры воздуха из отрицательной в положительную требует дальнейшей проработки.
Выводы
В заключение необходимо отметить:
1. Рассмотренные методики расчета дорожной конструкции на морозоустойчивость требуют уточнения и дальнейшего исследования с целью усовершенствования и получения более точных результатов, необходимых для строительства автомобильных дорог.
2. Использование тепловизора для исследования морозного пучения является эффективным и точным методом, позволяющим получить данные о распределении температуры на поверхности дороги и проанализировать причины возникновения морозного пучения и появления деформаций. Исследования с применением тепловизора требуют дальнейшего развития с изменением температуры окружающего воздуха на отрицательные значения.
3. Перспективным направлением по изучению процесса морозного пучения в сезоннопромерзающих грунтах является дальнейшее проведение лабораторных исследований сезоннопромерзающего грунта, что способствует увеличению сроков службы дорожной одежды, сокращению межремонтных сроков и сохранению дорожной конструкции от различных деформаций и дефектов вследствие морозного пучения.
