Теоретические аспекты водно-теплового режима земляного полотна и дорожных одежд при глубоком сезонном промерзании грунтов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Серия «Учебники ТГАСУ»

С.В. Ефименко, В.Н. Ефименко

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ 
ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА 

ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД

ПРИ ГЛУБОКОМ СЕЗОННОМ ПРОМЕРЗАНИИ ГРУНТОВ

Рекомендовано Учебно-методическим советом ТГАСУ

в качестве учебного пособия 

для магистров, бакалавров и специалистов, 
обучающихся по направлению подготовки 

08.03.01 «Строительство» 

(программа подготовки «Автомобильные дороги»)

Томск

Издательство ТГАСУ

2022

УДК 625.731.1:624.139.2(075.8)
ББК 39.311-04я73+38.581.252я73

Е911

Серия «Учебники ТГАСУ» основана в 2013 году

Ефименко, С.В.

Теоретические аспекты водно-теплового режима земляно
го полотна и дорожных одежд при глубоком сезонном промерзании грунтов : учебное пособие / С.В. Ефименко, В.Н. Ефименко. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2022. –
224 с. – Текст : непосредственный.

ISBN 978-5-6049093-0-0

Представлены сведения об особенностях протекания водно-тепловых про
цессов в дорожных конструкциях автомобильных дорог Западно-Сибирского региона (II–IV дорожно-климатические зоны). Показаны особенности организации полевых и лабораторных работ при изучении водно-теплового режима автомобильных 
дорог в административных образованиях территории Западной Сибири. Рассмотрены 
закономерности и связи, характеризующие влагонакопление в грунтах земляного полотна сети автомобильных дорог региона. Отражены результаты многолетних региональных исследований водно-теплового режима земляного полотна.

Предназначено для магистров и бакалавров, обучающихся по направлению 

подготовки 08.03.01 «Строительство» (программа подготовки «Автомобильные 
дороги»), студентов, осваивающих дисциплины специальности 08.05.01 «Строительство уникальных зданий и сооружений» специализации «Строительство автомагистралей, аэродромов и специальных сооружений», и специалистов, работающих в дорожной отрасли.

УДК 625.731.1:624.139.2(075.8)
ББК 39.311-04я73+38.581.252я73

Рецензенты:
В.Н. Шестаков, докт. техн. наук, профессор Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета (СибАДИ);
О.П. Афиногенов, канд. техн. наук, доцент, директор Кузбасского центра дорожных исследований.

ISBN 978-5-6049093-0-0
© Томский государственный

архитектурно-строительный
университет, 2022

© Ефименко С.В.,

Ефименко В.Н., 2022

Е911

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одним из важнейших мероприятий, способствующих обес
печению требуемых межремонтных периодов эксплуатации автомобильных дорог, cчитается учёт региональных особенностей 
природно-климатических условий при проектировании земляного полотна и дорожных одежд. Это положение закреплено действующими нормами проектирования.

Следует учитывать, что при формировании действующего 

регламента проектирования автомобильных дорог в основном 
учтены результаты исследований, выполненных известными специалистами – представителями отечественных научных школ, 
в основном на московском и ленинградском узлах автомобильных дорог, начиная с тридцатых годов прошлого столетия. Полученные ими характеристики связей и закономерностей, влияющие на качество объектов транспортной инфраструктуры, были 
распространены на другие территории, включая Западную Сибирь, и документально оформлены в виде требований и рекомендаций, к сожалению, далеко не всегда прошедших качественную 
проверку на вновь осваиваемых территориях России.

Отдавая должное поколениям исследователей водно-тепло
вого режима земляного полотна, без малого 100 лет изучавшим закономерности изменения транспортно-эксплуатационных характеристик автомобильных дорог под воздействием факторов географического комплекса для огромной и разнообразной по 
природным и климатическим условиям нашей страны, ряд учёных 
считает по-прежнему актуальным изучение водно-тепловых процессов, наблюдаемых в сезонно промерзающих (оттаивающих) 
грунтах земляного полотна, особенно в районах со слаборазвитой 
инфраструктурой, что нашло отражение в работах, представленных в объемном списке литературы в конце учебного пособия.

Современные исследования процессов водно-теплового ре
жима земляного полотна автомобильных дорог осуществляются
с учётом достигнутого уровня понимания схемы формирования 

природно-технических систем, с применением методов информационного обеспечения.

Тем не менее в теории водно-теплового режима земляного 

полотна автомобильных дорог, основанной на положениях тепломассопереноса, остаются аспекты, решаемые с привлечением 
эмпирических методов, что, в частности, связано с отсутствием 
до сегодняшних дней возможности установить теоретически некоторые расчётные параметры.

Содержание пособия не отражает мероприятия по регули
рованию водно-теплового режима земляного полотна и оснований дорожных одежд. Методы регулирования водно-теплового 
режима дорожных конструкций достаточно хорошо отражены 
в действующих нормативных документах и технической литературе, поэтому заслуживают обобщения по существующей классификации в отдельном издании.

В учебном пособии приведены результаты многолетних ре
гиональных исследований водно-теплового режима грунтов земляного полотна, которые стандартизованы на территории отдельных административных образований Западной Сибири (II‒IV дорожно-климатические зоны), что даёт возможность применять их 
в реальном проектировании.

1. ГОДОВОЙ ЦИКЛ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВ
В РАЙОНАХ ГЛУБОКОГО СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ 

И ИЗБЫТОЧНОГО УВЛАЖНЕНИЯ 

ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

1.1. Водно-тепловые процессы 

в слоях дорожных конструкций 
эксплуатируемых автомобильных дорог

Под водно-тепловым режимом автомобильных дорог пони
мают закономерное, взаимообусловленное изменение влажности 
и температуры в различных точках слоёв грунтов земляного полотна и оснований дорожных одежд в течение сезонов (весна, 
лето, осень, зима) годового цикла, формирующееся под влиянием 
метеорологических переменных в природных условиях, характерных для территорий, занимаемых дорожно-климатическими 
зонами [22].

Воздействие факторов внешней среды на дорогу вызывает 

теплообмен в полотне и слоях одежды. Это сложный и взаимосвязанный процесс. Изменение температуры вызывает миграцию 
(медленное движение) влаги. Влагонакопление и переход влаги 
в иную форму (лёд, пар) способствуют теплообмену. Поэтому 
процессы тепло- и влагообмена рассматривают во взаимосвязи.

В составе частиц и агрегатов грунта присутствуют следую
щие вещества: 1) первичные обломочные материалы – кварц, плагиоклазы, пироксены, лимонит и др., 2) глинистые минералы: 
слоистые – каолинит, иллит, вермикулит, монтмориллонит ‒ и неслоистые ‒ гидрослюды, аргиллит и др., 3) гели гидратов окислов 
алюминия, железа и кремнекислоты, 4) гумусовые вещества (гуминовые кислоты).

Известно, что грунты и материал слоёв одежд воздухопро
ницаемы, поры в них сообщаются между собой. Следовательно, 
в земляном полотне и слоях одежды имеются условия для массообмена, воздухообмена и парообмена. Обмен возможен в слу

чае, если влажность грунта меньше его полной влагоёмкости, 
т. е. W < Wп.вл. При полной влагоёмкости все поры грунта заполнены жидкой фазой, что обусловливает прекращение воздухои парообмена.

В водоненасыщенных грунтах влага содержится в двухфаз
ном состоянии – водяного пара и жидкой фазы. Соотношение фаз 
постоянно изменяется и зависит от общей влажности грунта.

В мёрзлых грунтах дополнительно возникает твёрдая фаза 

воды – лёд. При температуре грунта (tг) около 0 °С не вся жидкая 
фаза переходит в лёд вследствие частичного засоления и действия молекулярных сил, исходящих от агрегатов или частиц 
грунта. Температура льдообразования (tл) в зависимости от минералогического состава грунта находится в пределах от −0,5 °С 
для песков до −2,5 °С – для глины. Даже при очень низкой температуре грунта −20…−50 °С часть воды остаётся в жидкой фазе. 
Поэтому в течение всего морозного периода происходит диффузия водяного пара, миграция воды в жидкой фазе и льдообразование. Вода в жидкой фазе испаряется и замерзает, а водяной пар 
конденсируется в жидкой или твёрдой фазе.

Сегодня специалисты в области мерзлотоведения, почвове
дения и земледелия считают, что основным в процессе миграции 
влаги является плёночный механизм влагопередвижения. Перемещение влаги в зоне промерзания происходит под действием ряда 
молекулярных сил: адсорбции, кристаллизации, осмотических сил 
всасывания, расклинивающего действия воды, диффузионных сил 
и вакуума. Все перечисленные силы зависят от температуры, и поэтому интенсивность их параллельного действия принимается 
пропорционально величине отрицательной температуры.

Неблагоприятное протекание водно-теплового режима зем
ляного полотна и оснований дорожных одежд может спровоцировать следующие негативные явления, наблюдаемые в процессе 
эксплуатации автомобильных дорог:

− избыточное влагонакопление в отдельных зонах полотна 

вследствие инфильтрации воды через трещины в покрытии или 

через обочины и откосы автомобильной дороги после дождей или 
при поверхностном стоке;

− увлажнение рабочего слоя земляного полотна от гори
зонта близкого залегания грунтовых вод или от длительного застоя воды в боковых канавах, особенно в равнинной, заболачиваемой местности;

− повышенное увлажнение грунта в верхней части земля
ного полотна (активная зона) к концу зимнего периода;

− образование пучин на участках дорог при интенсивном 

влагонакоплении в земляном полотне (за счёт смыкания капиллярной каймы с нижней границей фронта промерзания дорожной 
конструкции) в зимний период эксплуатации дорог (рис. 1.1);

Рис. 1.1. Участок автомобильной дороги, эксплуатируемый в весенний 

период, со следами на покрытии зимнего влагонакопления и пучения грунта земляного полотна

− выпирание набухающего грунта земляного полотна в ве
сенний период на участках дорог с покрытиями из органоминеральных смесей и переходного типа (рис. 1.2);

Рис. 1.2. Вид участка автомобильной дороги, эксплуатируемой в весен
ний период, с дефектом покрытия в виде взбугривания в результате 
набухания грунта земляного полотна

− весеннее разрушение дорожных одежд вследствие пере
увлажнения грунта и потери его несущей способности;

− разрушение откосов (прежде всего высоких насыпей) из
за переувлажнения грунтов;

− разрушение высоких насыпей автомобильных дорог от 

скопившейся в их теле воды.

1.2. Особенности природно-климатических условий 

территории Западно-Сибирского региона 
(II‒IV дорожно-климатические зоны)

Среди комплекса факторов, определяющих состояние 

и срок службы автомобильных дорог, специалисты выделяют три 
группы: особенности проектирования и строительства, природ

но-климатические условия, особенности содержания и ремонта. 
На изменение транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог во времени наиболее существенное влияние 
оказывают природно-климатические условия района эксплуатации транспортных сооружений, что подтверждено результатами 
анализа, нашедшими отражение, например в работе [32]. В период эксплуатации транспортных сооружений постоянным изменениям относительно расчётных величин, принятых при проектировании объектов, подвержены метеорологические элементы 
(температура воздуха, осадки, др.). Географические факторы 
(орография, гидрологические условия местности, почвенно-грунтовые характеристики и др.), входящие в группу «природно-климатические условия», достаточно статичны, но являются определяющими в формировании атмосферных процессов, создающих 
те или иные элементы погоды, многолетний режим которых образует климат в регионе.

Условия формирования климата в любом регионе зависят 

от широты места, высоты над уровнем моря, от положения относительно больших водоёмов (моря и океаны), от формы рельефа, 
характера поверхности почвы, растительного покрова и т. д.

К климатообразующему фактору в регионе следует отнести 

Западно-Сибирскую плиту – один из крупнейших геологоструктурных элементов Евразии. Площадь плиты почти 3,5 млн км2, 
она вытянута в меридиональном направлении: протяжённость её 
от г. Семипалатинска (крайняя южная точка) до северной оконечности Гыданского полуострова составляет 2400 км, до Новой 
Земли, образующей северо-западный борт, – почти 2900 км, а ширина вдоль параллели Екатеринбурга – более 1900 км. В более 
узком месте, на широте пос. Новый Порт, ширина уменьшается 
почти до 750 км, а затем вновь увеличивается.

На востоке Западно-Сибирская плита граничит с Сибирской 

платформой, на юге – с палеозойскими образованиями Центрального Казахстана, Алтая и Салаирско-Саянской области, на западе – со складчатой системой Урала. Юго-западную и северо

восточную границы региона можно провести условно, поскольку 
между Западно-Сибирской и Туранской плитами и ХатангаПясинской впадиной нет ясно выраженной границы. Между первыми она проходит по Турайскому валу, а между Западно-Сибирской плитой и Хатанга-Пясинской впадиной по правобережью 
долины самых низовьев Енисея и восточному побережью Енисейского залива [45].

Образование Западно-Сибирской плиты началось в верхней 

юре, когда в результате обламывания, разрушения и перерождения огромная территория между Уралом и Сибирской платформой опустилась и возник огромный седиментационный бассейн. 
В ходе своего развития Западно-Сибирская плита не раз захватывалась морскими трансгрессиями. В конце нижнего олигоцена 
море покинуло Западно-Сибирскую плиту, и она превратилась 
огромную озёрно-аллювиальную равнину. Наиболее древние докембрийские и палеозойские горные породы в Западной Сибири 
выходят на поверхность лишь в горных районах на юго-востоке, 
в то время как в пределах Западно-Сибирской равнины они 
скрыты мощным чехлом осадочных пород. Западно-Сибирская 
равнина – молодая погружающаяся платформа, скорость и величина погружения отдельных участков которой, а следовательно, 
и мощность чехла рыхлых отложений, весьма различны.

Север Западно-Сибирской плиты омывают воды Карского 

моря, его территория находится в зоне арктической тундры, которая на западе плиты протянулась до ширины Полярного круга, 
а на востоке отступает до 64° с.ш.

Территория лесоболотной зоны ‒ самая обширная из при
родных зон Западной Сибири. Она простирается на 1100‒1200 км
от Полярного круга, почти до 56° с.ш. Южная её граница проходит примерно от долины р. Исеть (левого притока Тобола) 
до г. Новосибирска. Особенностью территории является почти 
равное соотношение лесов и сфагновых болот. Здесь находятся 
огромные площади водонасыщенных болот, таких как грядовомочажные, грядовоозерковые и топяные. Климатические усло