автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Физико-технические основы повышения эффективности проектирования и устройства автомобильных дорог горнопромышленных предприятий Забайкалья

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГОРНОГО ДЕЛА

Г:л .1 ч

¡'I о у Л

На правах рукописи

УШАКОВ ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ

ФИЗИК0-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И УСТРОЙСТВА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯ ЗАБАЙКАЛЬЯ

Специальность 05.15.11 - "Физические процессы

горного производства"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

• Хабаровск 1995

Работа выполнена в Читинском государственном техническом университете.

Научный консультант: член-корр. АН Кыргызстана, академик АГН, доктор технических наук, профессор Секисов Г.В.

Официальные оппоненты: член-корр.АЕН РФ,доктор технических наук,профессор Мязин В.П., доктор технических наук Карасев Ю.Г., доктор технических наук Ефименко В.Н.

Ведущая организация - A.D. "ЗабайкалцветметНШпроект".

Защита диссертации состоится ¿2. декабря 1995 г. в чззов на заседании специализированного совета Д 003.92.01 в Институте горного дела Дальневосточного отделения РАН по адресу: 680000, г. Хабаровск, ул. Тургенева, 51.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела.

Автореферат рззослан ноября 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета

доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Большинство разведанных месторождений полезных ископаемых России находятся в районах с суровыми климатическими условиями, которые характеризуются низкими зимними отрицательными температурами, близко залегающими к поверхности многолетнемерзлыми породами,а также отдаленностью от экономически развитых районов страны и слабым развитием транспортной сети. Одним из таких районов является Забайкальский горнопромышленный регион с богатейшими месторождениями полезных ископаемых.

Основным способом добычи полезных ископаемых здесь является открытый, а важнейшим технологическим звеном горнопромышленного производства - автомобильный транспорт. Удельный вес перевозок автотранспортом в горнодобывающей промышленности Забайкалья составляет более 30 X.

'.Эффективность использования и повышения производительности автомобильного транспорта в регионах с суровым климатом в значительной степени сдерживается неудовлетворительным состоянием технологических автомобильных дорог и небольшим количеством дорог с твердым покрытием. Так, на кимберлитовых карьерах Якутии всего 10 % технологических автомобильных дорог имеют твердое покрытие, а на горных предприятиях Забайкалья - 20 X. Это связано прежде всего со сложностью строительства дорог с капитальными типами покрытий, их низкой долговечностью и высокой стоимостью, отсутствием нормативных документов по эффективному проектированию, строительству 'и эксплуатации дорог в сложных природно-климатических условиях, а также недооценкой влияния автомобильных дорог на эффективность работы горнопромышленных предприятий.

Опыт эксплуатации автомобильных дорог в северных и восточных районах стрзны показывзет,что строительство.дорожных одежд по типовым проектам,без учета особенностей воздействий природно-климатических факторов приводит к их быстрому разрушению. Суровые климатические условия предъявляют особые требования к физическим, технологическим и эксплуатационным свойствам дорожных конструкций .

Рост грузоподъемности автомобилей и их скоростей, высокие транспортно-эксплуатационные расходы, разрушающее влияние сурово-

го климата требуют создания прочных дорожных одежд, улучшения транспортно-эксплуатационных качеств покрытий, увеличения срока их службы и удешевления строительства.

В связи с этим, создзние научно-методических основ, технических средств и физико-технологических методов повышения эффективности проектирования.строительства и эксплуатации автомобильных дорог( с капитальными типами покрытий ) для горнопромышленных предприятий, работающих в условиях сурового климата, является актуальной народнохозяйственной проблемой.

.Диссертационная работа соответствует целевой комплексной научно-технической программе развития горнодобывающих отраслей в восточных и северных районах Российской Федерации,выполнялась в рамках общесоюзной научно-технической программы- 0.55.11 "Разработать и внедрить новые технические решения и технологию строительства автомобильных дорог и дорожных сооружений"(Основание -постановление ГКНТ № 543/228 от 21.10.86 г.1,а также по плану важнейших научно-исследовательских работ ГК РФ по высшему образованию. Диссертант осуществлял научное руководство и непосредственно участвовал в выполнении вышеуказанных тем.Работа была тесно связана и с тематическими исследованиями,выполненными автором в Читинском политехническом институте - номера государствен-' ной регистрации 76085521; 81028827; 01830016090; 01850014371; 01860061267 и др.

Цель работы - создать.научные и физико-технические основы, разработать и последовательно реализовать рациональные методы повышения эффективности проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог (с капитальными типами покрытий) для горнопромышленных предприятий Забайкалья.

Основная идея работы заключается в том, что создание рациональных методов повышения эффективности проектирования, строительства и эксплуатации горнопромышленных автомобильных дорог Забайкалья может быть обеспечено на базе теоретически и экспериментально обоснованных параметров температурно-влажностного режима эксплуатации дорожных конструкций и установления закономерностей изменения работоспособности жестких дорожных одежд от природно-климатических факторов и физико-технических параметров.

Методы исследований. Достижение поставленной цели осуществлено на базе комплекса современных методов исследований, включаю-

щих: анализ и научные обобщения отечественного и зарубежного опыта .проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог горнопромышленных предприятий¡системного--подхода к оценке физических процессов разрушения дорожных одежд под воздействием природно-климатических факторов и транспортных нагрузок; экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях; математического моделирования; практической апробации результатов исследований.

Научные положения, защищаемые автором:

1. Повышение эффективности проектирования, строительства и эксплуатации горнопромышленных автомобильных дорог Забайкалья(при сложившейся тенденции возрастания грузоподъемнрстей и скоростей движения автомобильного транспорта) достигается главным образом увеличением работоспособности дорожных одежд.

2. В условиях сурового климата разрушение дорожных одежд под воздействием транспортных нагрузок и природно-климатических факторов происходит значительно-интенсивнее (в 2,7гЗ,3 раза), чем в регионах с умеренным климатом. -

3. Рациональные физико-технические, конструктивные и техно-* логические параметры дорожных одежд могут быть установлены на основе анализа физических процессов, протекающих в дорожных конст-' рукциях и учета совместного воздействия транспортных нагрузок и природно-климатических факторов, характерных для условий Забайкалья.

4. На основе разработанных математических моделей установлено, что основными физико-техническими параметрами, определяющими работоспособность дорожных одежд являются модуль упругости основания, прочность и модуль упругости бетона покрытия, ровность дорожной одежды, толщина дорожного покрытия..-

5. Увеличение работоспособности дорожных одежд в суровых климатических условиях достигается на основе комплексного использования физико-технических средств и методов:■

- улучшения физико-механических свойств бетона покрытия автомобильных дорог,связанных с повышением его стойкости.к своеобразным климатическим воздействиям Забайкальского региона;

- применения прочных и эффективных материалов для искусственных оснований автомобильных дорог;

- повышения ровности покрытий автомобильных дорог;

- использования "простой и эффективной технологии строительства дорожных одежд, предупреждающей отрицательные воздействия природно-климатических факторов.

6. Целенаправленное улучшение физико-механических свойств материалов дорожных одёжд достигается применением высокомолекулярного водорастворимого полимера ВРП-В и комплексных добавок на его основе, а также обработкой заполнителей из горных пород высокомолекулярным соединением.

7. Строительство дорожных покрытий на основаниях из жестких укатываемых бетонных смесей с использованием отходов горного производства обеспечивает значительное повышение их работоспособности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- осуществлено природно-климатическое районирование Забайкальского горно-промышленного региона, в целях использования его при проектировании автомобильных дорог; '

- разработаны классификации автомобильных дорог горнопро-шшденных предприятий, основных факторов и параметров, определяющих эффективность их проектирования,строительства и эксплуатации;

- впервые определены количественные показатели параметров температурного режима жестких покрытий автомобильных дорог в условиях сурового климата; установлены характер и степень влияния природно-климатических факторов на деформации и прочность дорожных одежд; получены зависимости температуры поверхности покрытий от температуры воздуха; уточнен расчет колебаний температуры бетонных покрытий;

- усовершенствована и получила дальнейшее развитие математическая модель работоспособности жестких дорожных одежд,включающая следующие основные параметры:прочность и модуль упругости бетона покрытия, модуль упругости основания и др.;

- разработаны методика й алгоритм определения коэффициента условий рзботы дорожных покрытий с учетом влияния природно-климатических факторов;

- разработана методика определения основных параметров дорожных конструкций, исходя из особенностей природно-климатических условий Забайкальского горнопромышленного региона;

- теоретически обоснованы и разработаны физико-технические способы повышения эффективности строительства и эксплуатации

автомобильных дорог горнопромышленных предприятий в условиях сурового климата.

Достоверность научных положений, еыводов и рекомендаций подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований с экспериментам ными и производственными данными, полученными в лабораторных и промышленных условиях; большим объемом экспериментальных исследований в условиях производства; применением методов математического моделирования, математической статистики и ЭВМ; результатами промышленных испытаний и внедрения с высокой экономической эффективностью.

Практическое значение работы заключается:

- в установлении количественных показателей параметров температурного режима дорожных покрытий (в условиях Забайкалья), для использования при проектировании, строительстве и эксплуатации горнопромышленных автомобильных дорог;

- з разработке инженерны?; методов оценки влияния природно-- климатических факторов и физике-технических параметров на работоспособность дорожных одежд; _ -

- в получении численных значений климатических коэффициентов условий работы дорожных покрытий для различных регионов;

- в разработке методов определения и установлении рациональных параметров дорожных конструкций для условий Забайкальского горнопромышленного региона;

- в создании комплекса физико-технических способов повышения эффективности строительства и эксплутации горнопромышленных автомобильных дорог Забайкалья.

Реализация результатов исследовании»

Разработанные методы определения основных параметров дорожных конструкций с учетом воздействия природно-климатических факторов используются АО "Забайкалцветметниипроектом" и другими аналогичными организациями при проектировании автомобильных дорог для горнопромышленных предприятий Забайкалья и Восточной Сибири. Результаты исследований использованы при составлении "Инструкции по проектированию жестких дорожных одежд" (ВОН 197-83) и пособия к СНиП 2.05.11-83 "Проектирование дорожных одежд внутрихозяйственных автомобильных дорог".

Обоснованные в работе физико-технические способы, обеспечивающие повышение эффективности строительства и эксплуатации гор-

- б -

непромышленных автомобильных дорог, внедрены на Призргунском го но-химическом комбинате и ряде других горных предприятиях Заба калья. Экономический эффект от внедрения результатов исследован составил 718 тыс. руб (в ценах до 1990 года), экологический эффе 102 тыс.руб (в цена;-: до 1990 года). Дальнейшее более широкое вне рение предлагаемых разработок и рекомендаций позволит дать экон мический и социально-экологический эффект в сотни миллионов рубл

Разработанные способы повышения стойкости цементобетона пс рытий автомобильных дорог применительно к климатическим воздейс виям региона послужили основой для составления "Рекомендаций применению бетонов с высокомолекулярными водорастворимыми поли/ рами" (М. .Минавтодор Р3®).

Нзучные и практические результаты работы отражены в тр учебных пособиях, учебно-методических разработках и более чем публикациях, а также в курсах лекций, читаемых с 1980 года в Чита оком государственном техническом университете.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссерт ционной работы докладывались и обсуждались:

- на международных конференциях и семинарах: 18-ой науч! конференции Лидского университета (Великобритания, 1984 г.), на> ном семинаре в Баотоуском университете стали и сплавов (И-1994 г.), международной конференции "Перспективы развития горно; бывающей промышленности" (Новокузнецк, 1994 г.). научном семинаре департаменте транспорта штата Нью-Йорк (США, 1995 г.), четверо международном симпозиуме по планированию горного производства выбору оборудования (Калгари, Канада, 1995 г.);

- на Всесоюзных и Республиканских конференциях, семинара? совещаниях в городах: Москве ( 1977 г.), Тюмени ( 1979 г.),Суздс ( 1987 г.),Владимире ( 1988 г.).Якутске ( 1988 г.),Чите ( 1989г. Ижевске ( 1990 г.).Санкт-Петербурге ( 1992 г.), Москве ( 1995 г.

- на ежегодных научно-технических конференциях МАДИ (Москз в период с 1976-1985 г.г.;.

- на научно-технических конференциях Читинского политех! ческого института (г.Чита) в период с 1976-1995 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 работы, том числе 3 учебных пособия, 4 статьи в США, Великобритании и ! наде, 3 обзорно-аналитических материала, авторское свидетельсп

положительное решение о выдаче патента на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, 57 рисунков, 62 таблиц, списка использованной литературы из 172 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту член-корреспонденту АН Республики Кыргызстан,академику АГН,д.т.н., проф. Секисову Г.В. за ценные-советы и замечания при выполнении и обсуждении результатов исследований.

Автор считает своим долгом выразить признательность своим _ коллегам Читинского государственного технического университета за помощь при проведении исследований и работникам производства за поддержку при внедрении результатов научной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

3 первой главе рассмотрено современное состояние проблемы, обуславливающее необходимость повышения эффективности проектирования и строительства автомобильных дорог горнопромышленных предприятий в регионах с суровыми природно-климатическими условиями.

Значительный вклад в разработку методических основ проектирования горнопромышленных предприятий внесли отечественные ученые М.И. Агошкое, Н.В. Мельников, Б.П. Боголюбов, В.В. Ржевский,

A.И. Арсентьев, М.В. Васильев, П.И. Городецкий, Г.Г. Ломоносов, М.Г. Новожилов, А.0. Спиваковский, К.Н. Трубецкой, B.C. Хохряков,

B.А. Шестаков, Е.Ф. Шешко, С.М. Шорохов, Б.П. Юматов и многие другие.

Основные вопросы развития открытых разработок с автомобильным транспортом и установления параметров технологических автомобильных дорог йсследоЕаны в работах М.В. Васильева, В.И. Еремеева, З.В. Забелина, И.В.-Зырянова, В.Л. Когана, А.Г. Колчаноза, LA. Кулешова, H.A. Медведковой, В.П. Носова, B.C. Порож.някова, 1.Г. Потапова, 3.Л." Сироткина, В.Н. Смирнова, B.C. Торова, S.B. Шурыгина, В.Л. Яковлева и др.

Многие ученые подчеркивали, что развитие горного производс-■ва неразрывно связано с эффективной эксплуатацией автомобильного ■ранспорта, а его показатели работы в значительной степени зави-

- а -

сят от транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог.

Принципиальные направления технического совершенствования конструкций автомобилей, используемых в горном производстве, рост грузоподъемности и скоростей, увеличение габаритных размеров не находят достаточно полного отражения в решении теоретических и практических вопросов улучшения транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог и надежной их работы в процессе эксплуатации.

Большой вклад в разработку теоретических основ проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог внесли исследования Г.Д. Дубелира, H.H. Иванова, В.Ф. Бабкова, А.К. Би-руля, А.П. Васильева, И.А. Золотаря, Е.М. Лобанова,H.A. Пузакова, В.М. Сиденко, В. В. Сильяновз, A.B. Смирнова, А.Я. Тулзева, Ю.М. Яковлева и др.

Строительство горнопромышленных предприятий все шире ведется в новых, малоосвоенных районах, для которых отсутствует опыт эксплуатации автомобильных дорог. Поэтому при проектировании возникает много неясных вопросов и принимаются типовые решения.Идея создания региональных технических условий для характерных районов, выдвигавшаяся много лет назад проф. А.К. Бируля, до сих пор не реализована и не теряет сегодня своей актуальности. Общими для этих норм должны явиться расчетные скорости и элементы поперечного профиля. Различия в конструкции земляного полотна и дорожных одежд должны как бы выравнивать разницу во влияющих природно-климатических факторах. Предложения по их учету в СНиП 2.05.02-85, даваемые применительно к разным дорожно-климатическим зонам, являются лишь первым грубым приближением.

Забайкальский горнопромышленный регион отличается особым Енутриконтинентальным положением в северных умеренных широтах Еосточной Азии, большими размерами территории в широтном (более 1000 км) и в долготном (около 1200 юл) направлениях и сложным рельефом местности. С момента вхождения Сибири в состав Российского государства Забайкалье имеет непреходящую славу одного из крупных рудных районов России. На рассматриваемой территории сосредоточены многие виды полезных ископаемых. Здесь добыто первое в России золото, олово, свинец, цинк, вольфрам, молибден, плавиковый шпат.

Комплексное освоение уникальных месторождений полезных ископаемых Забайкалья, в том числе зоны БАМ (Удоканское, Чинейское, Сакунское, Катугинское, Апсатское и др.) в самое ближайшее время потребует строительства крупных горнопромышленных предприятий с развитой транспортной сетью.

Анализ транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог горнопромышленных предприятий Забайкалья и Восточной Сибири показал, что проектирование и строительство дорожных конструкций, особенно с капитальными типами покрытий, без учета особенностей воздействий природно-климатических факторов приводит к их чрезмерны},! и преждевременным деформациям и разрушению.

Дорожные покрытия на многих горных предприятиях Забайкалья не отвечают требованиям современного тяжелого и интенсивного движения, а необходимость снижения потерь в сфере автомобильного транспорта и сокращения трудоемкости эксплуатации автомобильных дорог определили тенденцию к повышению капитальности дорожных одежд, путем строительства жестких покрытий автомобильных дорог.

Выполненный в диссертации анализ рассматриваемой проблемы позволил сформулировать цель работы, поставить и решить следующие задачи:

1. Установить основные особенности природно-климатических условий Забайкальского горнопромышленного региона и осуществить районирование его территории.

2. Выявить основные факторы и параметры, предопределяющие эффективность проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог в регионе.

3. Установить (на основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований) степень и характер влияния природно-климатических условии региона на работоспособность жестких дорожных одежд.

4. Разработать методические основы определения осноеных параметров дорожных конструкций с учетом влияния климатических воздействий.

5. Обосновать и последовательно реализовать рациональные физико-технические способы повышения эффективности строительства и эксплуатации автомобильных дорог в условиях Забайкалья.

6. Оценить эффективность результатов исследований и определить направления дальнейшей их реализации.

Во второй глазе изложены результаты анализа природно-климатических и экологических условий Забайкалья и основных факторог. предопределяющих эффективность проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог региона.

Главными факторами, определяющими своеобразие климата Забайкалья, яеляются характер общей циркуляции атмосферы и физико-географические условия территории - удаленность от океанов, большая протяженность с северз на юг и сложность орографии. Все это обеспечивает формирование холодной и малоснежной зимы, выпадение основного количества осадков в конце летнего периода, значительные колебания сезонных и суточных температур, наличие многолетней мерзлоты, глубокого промерзания грунтов, особого радиационного режима. Здесь весьма своеобразны характеристики температуры воздуха и почвы. Физике-климатические процессы получают развитие по? влиянием хорошей прозрачности атмосферы, интенсивной солнечной радиации, дефицита атмосферной влаги. По рассмотренным выше параметрам климат.Забайкалья может быть отнесен к квазисухому,резко-кон-тинентальному, суровому.

Общая повторяемость штилей и очень слабых ветров, мощных инверсий, сравнительно малое количество осадков способствуют слабому рассеиванию примесей в условиях Забайкалья. По территории России потенциал загрязнения атмосферы (БЗА) от низких источнике» выбросов изменяется в довольно широких пределах - 2,1... 4 (в условных единицах). Расчеты показывают, что в Забайкалье наблюдается наиболее высокий на территории России IBA. В среднем за го, повторяемость инверсий составляет 50-55 %,застоев воздуха 25-40 ; показатель ПЗА - 3,5...3,7, с максимумом в пределах Муйско-Куан-динской и Чарской котловин. Поэтому при проектировании горны предприятий, планировании их развития и эксплуатации на террито рии Забайкалья особое внимание следует уделять вопросам охран атмосферного воздуха от загрязнения, особенно. автомобильны транспортом.

Учет природно-климатических факторов при проектировании ав томобильных дорог осуществляется. в настоящее время делением тер ритории страны на дорожно-климатические зоны. Такое районировани призвано отразить географические закономерности в распределени природных факторов, которые влияют на величину расчетных показа

телей грунтов, необходимы:-: для проектирования земляного полотна. Климатическое районирование, которое отражало бы географические закономерности е изменении влияния климатических условий на работоспособность дорожных одежд, отсутствует.

Опыт применения существующего дорожно-климзтичеекого районирования показал, что оно не удовлетворяет практике проектирования дорог.

Комплексный анализ климатических, грунтово-гидрологических и мерзлотных условий Забайкалья, с учетом общих закономерностей изменения составляющих теплового и водного балансов, а также определения основных типов ландшафтов позволил нам выделить четыре группы климатических районов. В табл.1 представлена характеристика природных условий каждой группы выделенных климатических районов. Выполненное природно-климатическое районирование территории Забайкалья позволяет обоснованно подходить к выбору принципа проектирования земляного полотнз и установить рациональные его конструктивные параметры.

Важнейшими факторами, от которых зависит выбор параметров конструкций дорожных одежд,являются состав и интенсивность движения автомобильного транспорта, которые в сбою очередь определяются назначением дороги и характером перевозок. В отличии от других классификаций нами дана более развернутая характеристика автомобильных дорог горнопромышленных предприятий Забайкалья, которая может быть использована при комплексном проектировании предприятий горного производства.

В результате проведенного анализа литературных источников и оценки состояния автомобильных дорог горнопромышленных предприятий в условиях сурового климата установлено, что эффективность проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог в значительной степени определяется работоспособностью дорожных одежд, т.е. способностью дорожной одежды сохранять требуемые нормами показатели прочности, ровности и сцепления в течение заданного периода времени при определенных условиях эксплуатации. На работоспособность дорожных одежд оказывает влияние многочисленное число факторов. Нами разработана классификация факторов и параметров определяющих работоспособность дорожных одежд. Классификация разбита на группы, классы, типы.

Влияние многократно повторяющейся нагрузки на эксплуатацией-

Таблица 1

Характеристика отдельных групп выделенных климзтических районов Забайкальского горнопромышленного региона

Группа климатических районов Характеристика природных мерзлотно-грунтовых условий района Наименование климатических районов входящих в группу

А Сплошное распространение ММГП мощностью 500. .. 1000м. Среднегодовая температура ММГП от -5 до -10°С и ниже. Глубина сезонного оттаивания от 0,£ до 1,5 м Гольцевые пояса ВерхнеАнгарского, Баргуэинского, Северо-Муйского, Кодарского, Удоканского, Канарского и Янканского хребтов

Б Сплошное распространение ММГП мощностью 100...500 м. Среднегодовая температура ММГП от -1 до 5°С. Район избыточного увлажнения и недостаточной теплообеспеченности. Глубина сезонного оттаивания от 0,5 до 2 и Северное Забайкалье (абсолютная высота местности 850 м). Хэнтей-Чикойское нагорье (1020 м). Витимское плоскогорье (ИЗО.. .1570 м). Онон-Аргунское междуречье(1230 м)

В Сплошное распространение ММГП мощностью 50...100 м. Среднегодовая температура ММГП выше -1°С. Район оптимального увлажнения и теплообеспеченности. Глубина сезонного оттаивания от 0,8 до 3 м Склоны Хэнтей-Чикойского нагорья (ниже 1020 м). Вершины хребтов Юго-Восточного Забайкалья. Днища котловин Северного Забайкалья

Г Островное распространение ММГП мощностью до 50 м. Район недостаточного увлажнения и избыточной тепло-обеспеченности. Глубина сезонного оттаивания достигает 4 м и более Долины и склоны Центрального Забайкалья. Онон-Аргунские степи

ное состояние дорожной одежды исследовано в работах А.К. Бируля, H.H. Иванова, A.M. Кривисского, В.М. Сиденко, М.Б. Корсунского, В.Ф. Бзбкова, B.C. Радовского, A.B. Смирнова и др. Оценке влияния физико-механических параметров дорожных одежд на их работоспособность посвящены труды А.П. Васильева, Ю.М. Яковлева, В.А. Семенова, A.B. Смирнова, М.С. Коганэона, C.B. Коновалова, Ю.В. Слобод-чикова и др. До последнего времени остаются совершенно-нерешенными и изученными недостаточно полно вопросы, связанные с установлением характера и степени влияния природно-климатических факторов нз работоспособность дорожных одежд, особенно в регионах с суровым резко континентальным климзтом. При этом влияние природно-климатических факторов следует рассматривать совместно с воздействием автомобильного транспорта. Комплексный учет этих факторов необходим на стадиях проектирования, зтроительстна и эксплуатации автомобильных дорог горнопромышленных предприятий.

В третьей, главе приведены результаты натурных . экспериментальных исследований по определению количественных показателей параметров температурного режима жестких покрытий автомобильных дорог в условиях сурового климата и установлению характера и степени влияния природно-климатических факторов на деформации и прочность дорожных одежд.

Экспериментальные исследования, выполненные нами в различных районах Забайкальского горнопромышленного региона (Краснокаменск, Чита, Улан-Удэ, Гусиноозерск) на протяжении 5 лет,позволили установить основные положения, определяющие характер температурных воздействий сурового климата на дорожные покрытия и получить количественные показатели параметров температурного режима покрытий.

Характер изменения температурных градиентов по толщине покрытий указывает на наиболее тяжелые условия коробления плит в весенне-летний период. Устзновленно, что максимальные положительные температурные градиенты составляют весной 0,7-0,8" С/см, а летом 0,98"С/см, что в 2 раза больше, чем в регионах умеренного климата.

Весьма показательны экспериментальные данные по повторяемости температурных перепадов через 1 час по толщине покрытия. Наибольшие перепады температуры от 13 до 21°С и их повторяемости наблюдаются летом,а затем весной и осенью. Повторяемость макси-

мальных перепадов температуры, а значит и повторяемость температурных напряжений, возникающих в покрытиях в условиях Забайкалья, более чем 2 раза выше, чем в районах с умеренным климатом.

В зимний период наблюдаются значительные колебания температур в диапазоне отрицательных значений, что приводит к возникновению высоких внутренних напряжений, расшатывающих структуру бетона. Это требует применения бетона повышенной морозостойкости в дорожных покрытиях. Здесь имеет место одни из самых наибольших сезонных колебаний температур на территории России. Дорожные покрытия в результате таких колебаний температур испытывают весьма большие линейные температурные деформации, которые необходимо учитывать при назначении геометрических размеров плит, конструкций швов и физико-механических свойств бетона дорожных покрытий.

На основе экспериментальных исследований установлено влияние температурных воздействий на деформации плит дорожных покрытий различной длины, в том числе непрерывно армированной плиты длиной 196 м.

Динамика появления трещин и их распределение, регистрация деформаций отдельных участков плиты и величины раскрытия трещин, при изменении температуры,позволили проанализировать напряженное состояние плиты, ■ определить силы взаимодействия покрытия с основанием, вычислить напряжения в арматуре покрытия.

Измерения линейных деформаций плит дорожных покрытий длиной 6,8 и 4 м показали, что величины продольных температурных деформаций снижаются по мере уменьшения длины плит, а благодаря чрезвычайно высоким суточным (20 - 30* С), сезонным и годовым колебаниям температуры, значительно выше, чем в условиях умеренного климата.

Изучено влияния величины раскрытия температурных швов нз несущую способность жестких покрытий по величине упругого прогиба. Для испытания была использована установка динамического нагруже-ния с жестким штампом, которая имитировала кратковременное воздействие на покрытие колеса автомобиля. Величину упругого погиба в различных точках плит фиксировали с помощью вибрографа ВР-1 и виброметра с точностью 5 Установлено, что прогибы в зоне поперечных швов больше,. чем в центре плит, и величина их зависит от ширины раскрытия шва. При раскрытии шва до 1,5 мм увеличение прогиба в зоне шва составляет 12-18 %, а при раскрытии более 2 мм -

40-50 Это говор;:? о то», что при раскрытии температурных швов свыше 2 мм резко уменьшается передача нагрузки с одной плиты на другую и вероятность повреждения оетона з районе швов возрастает. В условиях сурового климата Забайкалья тлеется реальная возможность замедлить процесс повреждения швов путем обеспечения быстрого набора прочности бетона покрытий, обеспечения надежной герметизации швов, выбора рациональной длины дорожных плит, обеспечения совместной работы покрытия и основания.

Многолетние измерения прогибов дорожных одежд под автомобильной нагрузкой на дорогах горнопромышленных предприятий Забайкалья позволили изучить характер изменения прочности дорожных конструкций в течение года, в зависимости от изменения модуля упругости земляного полотна. Установлено, что изменение прочностных и деформативных характеристик грунтов земляного полотна в различные сезоны года оказывает значительное влияние на несущую способность нежестких дорожных одежд (с щебеночными и асфальтобетонными покрытиями), по сравнению с жесткими. В течение Еесенне-летнего сезона (май-сентябрь) (период ослабленного состояния грунта земляного полотна) прочность дорожных одежд принимает минимальные значения и мало изменяют сеокз величину. Продолжительность ослабленного состояния грунтов земляного полотна и низкой несущей способности дорожных одежд в условиях Забайкалья составляют 3...5 месяцев, в отличие от Европейской части России, где этот период по данным исследований В.Ф. Бабкова, В.М. Сиденко, И.А. Золотаря, С.А. ГолованоЕа и др. длится Есего 15...30 дней. Обоснованное назначение расчетных параметров грунтов земляного полотна и учет фактической длительности ослабленного их состояния позволяют при проектировании автомобильных дорог для горнопромышленных предприятий Забайкалья значительно повысить их работоспособность.

Четвертая глава посвящена изложению результатов теоретически и экспериментальных исследований по установлен™ влияния природно-климатических и физико-технических фактороЕ на работоспособность жестких дорожных одежд.

Для определения степени влияния природно-климатических факторов на работоспособность дорожных одежд необходимо выполнить сравнительные длительные испытания одинаковых конструкций дорожных одежд на горнопромышленных предприятиях Забайкалья, средней

полосы и юга в сходных горнотехнических условиях при примерно равном составе и интенсивности движения транспортных средств. Однако такие испытания в России не проводились, являются технически сложными и связаны со значительными затратами. Поэтому мы располагаем лишь отдельными несистематизированными результатами исследований надежности и долговечности жестких дорожных одежд в условиях сурового климата.

Выполненные нами теоретические исследования по определению работоспособности дорожных одежд и сопоставление их со значениями полученными по эмпирическим формулам, составленным на основе обработки и анализа длительных экспериментальных исследований в различных климатических регионах, позволили обосновано оценить степень влияния природно-климатических факторов Забайкалья на работоспособность дорожных одежд.

Используя данные длительных испытаний предложена математическая модель, описывающая работоспособность цементобетонных покрытий. Общее число проездов расчетных автомобилей, требуемое для снижения показателя эксплуатационной надежности от Р1 к Р2, определится :

Ы1=Ст1п(3/у-1)+В)]-10б, (1)

где Ь - толщина плиты цементобетонного покрытия; ш = -6,69703 + 0,13879Ье; у = Ра + {3,0/Еехр(- В/т) +11} - Рп; 0 = -50,08826 - 3,77485Ь + 30,64386 (Ь)1/2.

Уравнение (1) позволяет оценить только эффект толщины шптп покрытия, конечного и начального показателя эксплуатационной надежности на общее число приложений стандартной нагрузки.

Уравнение (1) нами было дополнено и преобразовано в уравнение (2), используя известное уравнение Узстергарда для края плии

1б%асч. = + (3,893 - 0,706Рг) ^(Кц/бЭО) х

хШдС^0'25 х 0,54Ь°-75)/МЗ + 0,589}, (2)

где £и _ расчетная прочность бетона при изгибе, Ша;

М = \1,6аг + И2)1'*' - С'.675Ь; а - радиус приложения краевой нагрузки;

Z = Es/Eo; Es - модуль упругости бетона, МПа;

Ео - модуль упругости основания, МПа.

В новое уравнение стали входить такие параметры, как прочность и модуль упругости бетона покрытия, модуль упругости основания.

Используя уравнение (2), фактические данные о составе движения и результаты оценки состояния покрытия можем определить коэффициент, учитывающий природно-климатические воздействия:

Kt = Нюасч / М.иакт, (3)

где Мрасч - общее число проходов расчетной нагрузки, вычисг-ленное по формуле (2). вызывающее понижение показателя эксплуатационной надежности покрытия от Pi к Pg;

Мфакт - суммарное число проходов эквивалентной расчетной нагрузки, определенное на основании фактических данных движения транспортных средств, которое привело к изменению показателя эксплуатационной надежности покрытия ог Pi к Ро.

Рзйоны, где были проведены обширные экспериментальные исследования по оценке работоспособности жестких дорожных одежд, объе-денены в четыре региона: i; II; III и IV исходя из количества атмосферных осадков, максимально возможного суммарного испарения, среднемесячных температур наружного воздуха, абсолютной минимальной и максимальной температуры воздуха и количества переходов температуры через 0°С в течение года. I регион - влажный и морозный; II регион - сухой и морозный; III регион - влажный и не морозный; IV регион .- сухой и не морозный.

Имеется определенный разброс значений коэффициента Kt в каждом климатическом регионе, однако результаты расчета показали, что покрытия автомобильных различных климатических регионов обладают неодинаковой работоспособностью.

Приведенные данные свидетельствуют, например, что типовая конструкция цементобетонного покрытия, построенная в сухом и не морозном регионе будет иметь срок службы, выраженный через число проходов расчетных автомобилей, в два раза больший, чем во влажном и морозном.

Значения климатического коэффициента:

Климатический регион.................. I II III IV

Климатический коэффициент............ 1,00 0,80 0,70 0,50

Разрушение дорожных одежд происходит в процессе постепенного

накопления микродефектов, возникающих в монолитных слоях при воздействии транспортных нагрузок и природно-климатических факторов. Используя гипотезу линейного суммирования усталостного повреждения цементобетона и учитывая величину и повторяемость напряжений, возникающих в покрытии от расчетного автомобиля в различные сезоны года и от изменений температуры, получена формула для вычисления коэффициента к^ Коэффициент ^ обуславливает переход от N

нагружений(с различными напряжениями в цикле) к расчетному коли-

о

честву нагружении с постоянными напряжениями в цикле

15,9

Т - ЕЬ1

(4)

4=14=1

Для определения коэффициента условий работы К5, учитывающего величину и повторяемость напряжений, возникающих в покрытии от совместного действия автомобильной нагрузки и природно-климатических факторов, и влияющего на изменение коэффициента усталости бетона, получена следующая формула:

К5 = (КО

-0.063

4=1

^ ( 61 + б^

Т

4-1

бг

15'9 т -+-

т

-О, 063

(5)

Расчетное напряжение, возникающее в покрытии от расчетного автомобиля при определенном состоянии грунта земляного полотна и перепаде температуры Д^ может быть вычислено по формуле:

р Р(0,355 - 1,2841^/Ь) 61 = -

а ^ti . и2

(В)

где Ь - толщина цементобетонного покрытия, см;

Р - нагрузка на колесо расчетного автомобиля, МН; I? - радиус круга, равновеликого по площади отпечатку колеса расчетного автомобиля, см; Ь - радиус жесткой плиты, см;

э - безразмерная величина, принимаемая в зависимости от положения точки на плите; Д^ - перепад температуры между верхом и низом покрытия,0С;

Формула для определения расчетных температурных напряжении на подошве плиты имеет вид:

1 а-Ез-Кр-Кп г б1 = с - АпСОЭЫпТ, (7)

1-Ц

где а - коэффициент линейного температурного расширения бетона, град"1;

Ез и д - модуль упругости и коэффициент Пуассона бетона, МПа; с - коэффициент, принимаемый в зависимости от толщины плиты;

Кд - коэффициент, учитывающий криволинейный характер эпюры

напряжений в растянутой зоне сечения; Кп - коэффициент, учитывающий релаксацию напряжений от длительных воздействий; Ап - амплитуда колебания температуры на поверхности покры-? тля, "С;

«п - угловая частота колебания температуры на поверхности

покрытия в дневные часы суток, рад/ч; х - время суток, ч.

Сопоставление значений климатических коэффициентов полученных по экспериментальным данным для выделенных регионов I; II;III и IV и вычисленных по формуле (4) показало хорошую согласованность результатов. Поэтому выражения (4) и (5) могут быть использованы для вычисления коэффициентов и Кз для регионов, где отсутствуют экспериментальные данные по работоспособности дорожных одежд.

Для определения коэффициента условий работы Кг, в связи с большим объемом вычислений был составлен алгоритм и разработана программа для ПЭВМ.

Значения коэффициента условий работы Кд, вычисленные по формуле (5) с учетом рассмотренных расчетных параметров для климатических условий городов Читы, Улан-Удэ, Якутска, Иркутска, Красноярска и Москвы приведены в табл.2.

На основе значений показателя условий работы Кг предложен"

проведение дорожно-климатического районирования территории России для целей конструирования жестких дорожных одежд.

В условиях сурового климата Забайкалья доля климатических воздействий нз автомобильные дороги значительно выше, чем например в районах с умеренным климатом. Поэтому, как показали результаты расчетов, работоспособность дорожных одежд, вычисленная для

Таблица 2

Численные значения коэффициента К5 (В числителе - толщийа плиты для расчетного автомобиля МАЗ-500; в заменателе - БелАЗ-548А)

Толщина плиты покрытия, м Значения коэффициента Ка для условий :

Читы Улан-Удэ Иркутска Якутска Красноярска Москвы

0,18 0,42 0,85 0,86 0,86 0,84 0,89 0,92

0,20 0,48 0,79 0,80 0,80 0,73 0,83 0,85

0,22 0,54 0,73 0,74 0,74 0,72 0,77 0,80

0,24 0,58 0,65 0,66 0,66 0,64 0,69 0,72

0,26 0,62 0,58 0,59 0,59 0,57 0,61 0,64

климатических условий Забайкалья в 2,7...3,3 раза ниже, чем для климзтиче'ских условий Московского региона.

Введение в расчет работоспособности модуля упругости основания, прочности и модуля упругости бетона покрытия, толщины и рОЕ~ ности покрытия позволило количественно оценить влияние физико-технических пзраыетроЕ дорожных одежд на их работоспособность. Некоторые из полученных зависимостей представлены на рис.1,2 и 3.

Для количественной оценки влияния толщины дорожного покры-

- ZI -

•ÎI £

к*

I £

60 V)

го

10 s

s #

г -

f?климатический регион Ш климатический

xiï климатический регион Vклиматический регион

Рис. 4 . Зависимость работоспособности жестких дорожных одежд от толщины покрытия к и прир одно-клима тических условий.

Рри = 3,5 МПа;

Ео = 230 МПа

гоо 25а зоо Толщина дорожного покрытия

Isa hn,мм

Рис. 2 . Зависимость работоспособности жестких дорожных одежд от толщины покрытия к и прочности бетона покрытия на растяжение при изгибе йри.

Еб"= 230 МПа»

Кф = 1,0

200 250 S00 350 hп, M M

Толщина дорожного покрытия

Рис. 3 • Зависимость работоспособности жестких дорожных одежд от толщины покрытия к и эквивалентного модуля упругости основания.

Рри = 4,8 МПа» Кф = 1,0

200 250 ~ 300 350 fin, ММ

Толщина дорожного покрытия

тин, прочностных и деформативных свойств бетона на предельна возможную' повторность расчетной нагрузки, которая характеризует срок службы бетонного покрытия, построена математическая модель.

В качестве основных факторов (варьируемых в эксперименте величин) приняты: модуль упругости бетона хх, прочность бетона на растяжение при изгибе ха, толщина цементобетонного покрытия хз. Функция отклика - предельно возможное количество проходов расчетного автомобиля.

Результаты эксперимента были обработаны методами математической статистики, что позволило получить уравнение в алгебраической форме, выражающее зависимость предельно возможной повтор-ности расчетной нагрузки от исходных факторов:

a) для расчетного автомобиля БелАЗ-548А

= 8,51875 - 0,29625X1 + 2,92625X2 + 2,06125хз + + 0,04125X1X3; (3)

b) для расчетного автомобиля МАЗ-500 _ .

= 6,70575 - 0,96833X1 + 2,9243X2 + 1,25838X3 -

- 0,00163X1X2 - 0,41088X1X3 + 0,00163X2X3. (9)

По уравнениям (8) и (9) построены графики влияния прочности и модуля упругости бетона, толщины покрытия на предельно возможную повторность расчетной нагрузки (рис.4 и 5).

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать вывод, что компенсировать снижение работоспособности жестких дорожных одежд от разрушительного влияния сурового климата Забайкалья возможно путем проведения комплексных мероприятий, главными из которых являются повышение модуля упругости основания, прочности и деформативности материала покрытия, улучшения ровности, увеличение толщины дорожного покрытия.

Пятая глава посвящена разработке методических основ определения параметров дорожных конструкций.

Различные мерзлотно-грунтовые условия Забайкалья обуславливают дифференцированный подход к проектированию земляного полотна автомобильных дорог. Выполненное природно-климатическое районирование региона позволяет обоснованно подходить к назначению принципа проектирования и строительства земляного полотна, от которого зависит назначение требуемой высоты насыпи, определяемой по

1 V,

лу

у

РисЛ . Влияние прочности Кри и модуля упругости Еб на величину предельно возможной повторности расчетной нагрузки N

[ь= '¿'¿см

3 4 5 6 7 Прочность бетона при изгибе'

20 25- 30 35 41) Модуль упругости бетона

Кри.МПа

Рис. 5 . Влияние модуля упругости бетона Еб и толщины покрытия [и на величину предельно возможной покгор-ности расчетной нагрузки М Кри = 5,0МПа

ЕохХи,МПа

Ь б 4 2

V

< у О о

>

Рис. 6 . Влияние модуля упругости Еб и коэффициента линейного температурного расширения бетона ОС на длину плиты

(ъ = аз см

го 25

30

35 40

0,50

0,75

1,00

^ЕбхЮ ,Жа

-I

теплотехническому расчету, используя один из известных методов расчета промерзания - протаивания грунтов в насыпях, выемках и в условиях естественного залегания.

В связи с более длительным периодом ослабленного состояния грунта земляного полотна (3...5 месяцев), в условиях Забайкалья по сравнению с регионами умеренного климата, требуется большая (на 20-30 %) общая толщина дорожной одежды, которую экономично получить .за счет увеличения нижнего слоя, выполненного из местных дренирующих материалов.

Поскольку амплитуды колебаний температуры на поверхности дорожных покрытий являются главным факторам, влияющим на величину температурных напряжений, то принципиальное значение имеет правильное их назначение. Результаты многолетних экспериментальных исследований температурного режима жестких покрытий автомобильных дорог горнопромышленных предприятий позволили установить, что в условиях Забайкалья фактическая температура на поверхности покрытий значительно отличается от температуры, вычисленной по существующим методам расчета.

Для установления температуры поверхности покрытия ^ по температуре воздуха были статистически обработаны экспериментальные данные ззмеров температуры воздуха и поверхности дорожнцх покрытий в различных климатических районах Забайкалья.

Выравнивание рядоЕ данных по методу наименьших квадратов позволило установить прямолинейные зависимости температуры поверхности покрытий от температуры воздуха.

Зависимости температуры поверхности покрытия от температуры воздуха в различные сезоны года для Читинского и Улан-Удзнского климатических районов имеют следующий вид:

Читинский климатический район

0,983ЬВ + 1,129 г= 0,93;

(весна),

(Ю)

Ьп= 0,91ЬВ 10,59 г= 0,90;

(лето),

(И)

Ьп= 1,01ЬВ + 0,72 • Г= 0,96;

(осень),

(12)

Улан-Удэнский климатический район

Ьп= 1 ,ОИв + 6,58 (весна), (13)

г= 0,94;

1П= 1,061в + 8,47 (лето), (14)

Г= 0,94;

1П= 1,02ЬВ + 3,41 (осень), (15)

г= 0,95,

где г- коэффициент корреляции.

Выражения (10) - (15) могут бы-ть использованы при проектировании дорожных одежд в рассматриваемом регионе.

На основе анализа суточного хода температуры в дорожных покрытиях ва годовой цикл в условиях Забайкалья уточнена расчетная формула повторяемости одинаковых величин амплитуд через один час по сезонам года на поверхности покрытий:

max rn i n

, п e (, pJ tCR ~ tCB \ e , %

iX- An-coswn-t = Kq — + ~- coswn-t, (16j

an 2 /

где Ап- амплитуда колебания температуры на поверхности покрытия , °С;

max

tCp - среднемесячная максимальная температура воздуха,°С; и i п

tcp ~ среднемесячная минимальная температура воздуха, °С; р- коэффициент, учитывающий поглощение тепла солнечной

радиации поверхностью покрытия; J- интенсивность суммарной солнечной радиации в 12ч ЗОмпн на горизонтальную поверхность, Вт/м2; an- коэффициент теплопередачи конвекцией, Вт/м2-град; К0- коэффициент, учитывающий изменение влияния интенсивности солнечной радиации и усвоения тепла покрытием.

'А1 п- угловая частота колебания температуры на поверхности покрытия в дневные часы суток, рад/ч;

х- время суток, ч.

Численные значения ко и у;п приведены в табл.3.

При заданных амплитуда:-; колебания температуры на поверхносз дорожных покрытий легко вычислить температурные напряжения в рас четном сечении плиты, используя, например, решения Н.М.Уэстерга£ да и Л.И.Горецкого.

Результаты расчета показывают, что толщина дорожных плит условиях сурового климата Забайкалья в зависимости от состава интенсивности движения должна быть больше, чем в района-; с уме ренным климатом: на 2...4ом (для расчетного автомобиля МАЗ-500) на 6...10см (для расчетного автомобиля БелАЗ-549).

Таблица 3

е-

Численные значения Ко и wn

Расчетные апрель май июнь июль август сен- ок-

месяцы тябрь тябрь

Ко 0.38 0.40 0,60 0,55 0,50 0,35 0,35

е wn 0,393 0,314 0,262 0,242 0,314 0,349 0,449

Снижение температурных воздействий на дорожные покрытия ; счет проведения конструктивных мероприятий сводится к ограничен! размеров плит.Рациональная длина плиты зависит от возможных пер< пэдое температур, сил сопротивления перемещению, толщины плита деформативных свойств бетона покрытий. В связи с тем, что в усл( виях Забайкалья суточные колебания температур достигают 25...30' длину неармированных плит цементобетонных покрытий, следует пр) нимать равной 4... 5м (рис. 6).При проценте продольного-армирован) 0,4 % и толщине покрытия 0,24м возможно устройство в данных те! пературно-влажностных условиях армобетонных плит длиной 25м.

Надежность работы и срок службы жестких покрытий автомобилз ных дорог на предприятиях горного производства в значителью степени зависят от правильного расположения, конструирования

устройства температурных шзев. На основе исследования температурных деформации штпт дорожных покрытии в условиях Забайкалья разработаны и проверены в условиях эксплуатации конструктивные параметры швов, позволяющие резко замедлить процесс их повреждения в рассматриваемом регионе.

В шестой главе основное внимание уделено обоснованию и разработке физико-технических способов повышения эффективности строительства и эксплуатации автомобильных дорог предприятий горной промышленности в условиях сурового Забайкальского климата.

Обобщение и анализ отечественных и зарубежных литературных источников, мирового производственного опыта позволили установить, что наиболее эффективными способами повышения прочности, деформативности и морозостойкости бетонов являются обработка заполнителей из горных пород высокомолекулярными соединениями и применение при приготовлении бетонов поверхностно-активных веществ (ПАВ).

Нами разработан способ обработки заполнителей из горных пород для тяжелых бетонов. В качестве высокомолекулярного соединения применяли полиЕШилбутерапь в смеси с кварцевым песком крупностью Мкр= 2,3*2,5. За счет обработки заполнителя на его поверхности образуется прочное шероховатое покрытие, которое в результате химического взаимодействия с новообразованиями цементного камня и перезарядки поверхности приводит к уплотнению контактной зоны. Увеличение сцепления между заполнителем и минеральным камнем способствует повышению прочности бетона на растяжение при изгибе на 30...40 а при сжатии на 25...30 %. Создана опытная установка для обработки! заполнителей и построены экспериментальные участки дорог, которые подтвердили результаты лабораторных исследований о значительном улучшении физико-технических свойств цементобетона покрытий, приготовленного на предварительно обработанных заполнит елях.

Итогом совместного сотрудничества со специалистами лаборатории ВНШПАВ Миннефтепрома (д. т.н. Махмудов Т.М.) стало создание пластифицирующей добавки - высокомолекулярного водорастворимого полимера ВРП-В с молекулярной массой 25000.

Пластифицирование бетонной смеси без снижения темпа твердения бетона и небольшая восприимчивость бетона к точности дозирования добавки являются ее отличительной чертой и преимуществом по

сравнению с другими известными ПАВ. Введение добавки увеличиваем прочность бетона на растяжение при изгибе на 25-30 % и при сжатга на 15-20 %. Добавка ВРП-В и особенно СНВ + ВРП-Е в большей мере, чем другие ПАВ пластифицируют бетонные смеси, что позволяет снизить водопотребность смеси до 18 %. Бетон с добавками обладае1 меньшей истираемостью, большей деформативностью. Усадочные деформации бетона снижаются в 2... 3 раза. Морозостойкость бетона с комплексной добавкой СНВ +■ ВРП-В при температуре замораживание -50°С повышается не менее чем в 2...3 раза.

Увеличение морозостойкости бетона с исследуемыми ПАВ, егс прочности и деформатиЕности обусловлено изменением структуры бетона при введении добавок, что было отчетливо выявлено при микроскопических исследованиях образцов цементного камня.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальны* исследований показали, что повышению работоспособности дорожны? одежд способствует строительство покрытий дорог на прочных искусственных основаниях. Основания из жестких бетонных смесей, уплотненных вибрационными каткаш, являются в настоящее время наиболее перспективными, благодаря их высокой плотности и прочноста при растяжении, низким усадочным и температурным деформациям, пониженным модулям упругости, хорошему сцеплению между отдельным} слоями.

Совместно с английскими учеными (Лидский университет - проф. Д.Кабрера, Д.Казенс) разработана методика проектирования оптимальных составов укатываемых бетонов, обеспечивающих максимально плотность смесей. Использование смешанного Еяжущего, состоящегс из чистоклинкерного портландцемента и тонкомолотого компонента, i частности зол уноса ТЭС, открыло широкие возможности экономии цемента в укатанном бетоне при одновременном повышении его плотности. Кроме того, использование пластифицирующих добавок дало возможность дополнительно повысить плотность бетона при незначительной его влажности. Изучены физико-механические свойства и долговечность таких бетонов.

Совместно с Центральной лабораторией Приаргунского управления строительства отработана технология строительства дорожшс оснований и покрытий из укатанных бетонов с применением золы уноса Краснокаменской ТЭЦ и пластифицирующих добавок. Низкий расход цемента, возможность использования некондиционных каменных мате-

риалов (вскрышных пород), упрощенная технология , строительства, высокие трзнспортно-эксплуатационные качества с5?спечкди технико-экономическую эффективность применения укатанных бетонов в конструкциях дорожных одежд технологических автомобильных дорог Приаргунского горно-химического комбината.

Основными дефектами, снижающими эксплуатационные качества покрытий автомобильных дорог являются разрушения в поперечных температурных швах и образование раскрывающихся трещин. Поперечные швы наиболее уязвимое место бетонных покрытий, и в условиях Забайкалья разрушение их наблюдается через 2...3 года эксплуатации покрытий. Впервые в нашей стране с участием автора, в том числе и в условиях Забайкалья, были построены дорожные одежды жесткого типа с бесшовными непрерывно армированными цементобетон-ными покрытиями. • Эксплуатационные качества и работоспособность таких покрытий связаны прежде всего с процессом образования и развития в бетоне трещин, раскрытие которых контролируется непрерывной продольной арматурой. Было построено и исследовано пять, опытных участков с различным содержанием и видом арматуры. Проведение и анализ многолетних исследований позволили разработать практические рекомендации по повышению трещиностойкости, срока службы и эффективности строительства таких дорожных покрытий на горнопромышленных предприятиях Забайкалья.

В седьмой главе приведены результаты внедрения выполненных исследований и определена их эффективность.

Использование с 1980 года при строительстве технологических автомобильных дорог Приаргунского горно-химического комбината и ряда других предприятий Забайкалья бетонов с высокомолекулярными водорастворимыми полимерами позеолило улучшить технологию строительства дорог, уменьшить трудоемкость и повысить качества работ.

Фактическое снижение строительной стоимости автомобильных дорог

2

составило 75 руб. на 100 м покрытия. Приаргунским управлением строительства построено 68 км автомобильных дорог с жесткими покрытиями из бетона повышенной прочности, деформативности и морозостойкости, при этом экономический эффект составил 510 тыс. руб. (в ценах до 1990 г.). На Приаргунском горно-химическом комбинате затраты на содержание таких дорожных покрытий стали составлять 0,334 руб/м в год, вместо 0,396 руб/м в год. За 10 лет эксплуатации автомобильных дорог экономический эффект от сокращения затрат

на текущий ремонт дорожных покрытий составил 208320 руб.(в ценах до 1990 г.).

Успешное строительство покрытий горнопромышленных автомобильных дорог ив бетона повышенной прочности и морозостойкости послужили основанием для разработки "Рекомендаций по применению бетонов с высокомолекулярными водорастворимыми полимерами", утвержденных Минавтодором РСФСР.

Затраты на строительство оснований автомобильных дорог из жестких укатываемых смесей составили на 30X меньше, чем из обычных бетонных смесей. Благодаря упрощенной технологии строительства, достигнуто сокращение трудозатрат около 100 чел.-дней на 1 км устроенного основания. Зз счет использования в жестких укатываемых бетонах минеральных наполнителей (зол-уноса ТЭЦ) и химических добавок полуг-но сокращение расхода цемента до 15...20 X.

Выполнено сравнение энергетических затрзт при создании дорожных одежд с цементобетонными и асфальтобетонными покрытиями. Установлено, что конструкции дорожных одежд с цементобетонными покрытиями требуют меньше затрат энергии, что является одним из важных преимуществ их по сравнению с другими капитальными типами покрытий горнопромышленных автомобильных дорог.

Произведен расчет социально-экологического эффекта от сокращения количества выбросов карьерным автомобильным транспортом на Приаргунском ПГХ0 за счет улучшения транспортно-эксплуатационного состояния технологических автомобильных дорог. Годовой экологический эффект от строительства жестких покрытий карьерных дорот составил 102 тыс.руб.(в ценах до 1990 г.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе выполнен комплекс научных исследований, осуществлено теоретическое обобщение и решена важная народнохозяйственная проблема - создание научно-методических основ, физико-технических средств и технологических методов, повышения эффективности проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог (о капитальными типами покрытий) для горнопромышленных предприятий,функционирующих .в условиях сурового климата.

ные выводы:

1. Установлено, что в региона;-: о суровым климатом эффективность использования л повышение производительности автомобильного транспорта, занятого в горной промышленности, в значительней степени сдерживается неудовлетворительным состоянием технологически:-: автомобильных дорог и небольшим количеством дорст с твердым покрытием. Строительство дорожных одежд в этих регионах по типовым проектам без учета особенностей воздействия природно-климатических факторов приводит к их чрезмерным деформациям и преждевременному разрушению. Повышение эффективности создания и использования автомобильных дорог горнопромышленных предприятий Забайкалья, при существуют,ей тенденции возрастания грузоподъемности и скоростей движения транспортных средств, в первую очередь достигается увеличением работоспособности дорожных одежд на стадии проектирования, строительства и эксплуатации дорог и комплексным учетом при-родно климатических факторов.

2. Выполненный анализ климатических, грунтово-гидрогеологи-ческих и мерзлотных условий Забайкалья, с учетом общих закономерностей изменения составляющих теплового и водного балансов, а также определения основных типов ландшафтов позволил осуществить природно-климатическое районирование региона для выбора принципа проектирования земляного полотна и установления рациональных его конструктивных параметров.

3. На основе теоретических исследований разработаны классификации автомобильных дорог горнопромышленных предприятий, факторов и параметров, определяющих работоспособность дорожных одежд.

4. В результате многолетних натурных исследований установлены: основные факторы, определяющие характер температурно-влаж-настных воздействий сурового климата на дорожные конструкции; количественные показатели параметров температурного режима в рассматриваемом регионе; зависимости температуры поверхности покрытия от температуры воздуха; влияние температурных воздействий на деформации плит дорожных'покрытий различной длины; характер изменения прочности дорожных одежд в годовом цикле.

5. Теоретически и экспериментально установлена зависимость работоспособности дорожных одежд от природно- климатических условий эксплуатации. При этом определены численные значения коэффи-

- ч? -

циенхов условий раблгы дорожных покрытий для различных регионов. Работоспособность дорожных одежд в условиях сурового климата Забайкалья в 2,7...3,3 раза ниже, чем для климатических условий умеренных зон.

6. На основе разработанных математических моделей установлены зависимости основных физико-технических параметров дорожных одежд на их работоспособность, способствующие научно обоснованному назначению конструкций автомобильных дорог.

7. Разработана методика учета природно-климатических воздействий при расчете прочности жестких дорожных одежд и уточнен расчет колебаний температуры бетонных покрытий. Установлено, что толщина дорожных плиг в условиях Забайкальского горнопромышленного региона, в завиошости от состава и интенсивности движения, должна быть на 2...4 см (для расчетного автомобиля МАЗ-500) и на 6...10 см (для расчетного автомобиля Белаз-548) больше, чем в условиях умеренного климата.

Из численного определения длины плит дорожных покрытий, с учетом полученных расчетных параметров температурного режима покрытий, следует, что длину плит в условиях сурового климата Забайкалья следует принимать 4...5 м.

8. На основе лабораторных и производственны/; экспериментов доказано, что применение (при приготовлении бетонов) высокомолекулярных водорастворимых полимеров ВРП-В и комплексных добавок на его основе, а также обработка заполнителей из горных пород высокомолекулярным соединением позволяет целенаправленно изменять физико-механические свойства бетонов: повысить прочность на растяжение при изгибе на 25.. .30 и при сжатии на 15.. .20 снизить модуль упругости на 10...15 X, уменьшить истираемость и повысить морозостойкость.

9. Определены физико-механические свойства и долговечность жестких укатываемых бетонов, использование которых в конструктивных слоях дорожных одежд - позволяет значительно повысить их работоспособность.

10. Разработаны практические рекомендации по повышению тре-щиностойкости, срока службы и эффективности строительства бесшовных цементобетонных дорожных покрытий на горнопромышленных предприятиях Забайкалья.

11. Фиэико технические способы, обеспечивающие повышение эффективности строительства и эксплуатации горнопромышленных автомобильных дорог, внедрены нз ряде горнопромышленных предприятий Забайкалья. Экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 718тыс.руб. (в ценах до 1990г.), экологический эффект - 102 тыс.руб. (в ценах до 1990г.). Широкое внедрение предложенных разработок позволит обеспечить экономический и социально- экологический эффект в сотни миллионов рублей.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Ушаков В.В., Воейков В.А. Исследование работы непрерывно армированных цементобетонных покрытий в условиях резкоконтинентального сурового климзта //Труды/ МАДИ.- 1977,- Вып.133.-С.60-64.

2. Ушаков В.В., Воейков В.А. Методика исследования температурного режима цементобетонных покрытий.- Чита: ЧитЦНТИ, 1976.-N70-76.

3. Ушаков В.В., Коновалов C.B. Исследование влияния сил трения с основанием на работу цементобетонных покрытий //Труды/ МАДИ.- 1978.- Вып.150.- С.54-60.

4. Ушаков В.В., Воейков В.А., Малицкий Л.С. Повышение срока службы и трещиностойкости непрерывно армированных цементобетонных покрытий.- Чита: ЧитЦНТИ, 1978.- N27-78.

5. Ушаков В.В. О повышении прочностных и деформативных свойств цементобетонных покрытий автомобильных дорог //Сб. науч. тр./ МАДИ.- 1979.- Вып.170,- С.79-85.

8. Ушаков В.В., Коновалов C.B., Некрасов В.К., Махмудов Т.М. Рекомендации по применению бетонов с высокомолекулярными водорастворимыми полимерами.- М. : Минавтодор РСФСР, 1979.- 18 с.

7. Ушаков В.В., Коновалов C.B. Учет температурных воздействий при расчете прочности жестких дорожных одежд //Надежность автомобильных дорог: Сб.науч.тр./ МАДИ.- 1980.- С.122-128.

8. Ушаков В.В., Коновалов C.B. Об особенностях работы жестких покрытий в условиях сурового климата //Повышение прочности и надежности дорожных одежд и земляногр полотна автомобильных дорог: Сб.науч.тр./ МАДИ,- 1981.- С.98-101.

9. Ушаков В.В., Новиков В.А. Исследование температурного ре-

жима жестких покрытий в условиях сурового климата.- Чита:ЧитЦНТИ, 1982.- N6-82.

10. А.с. 569151 СССР, М.Кл2. С 09 Д 3/74 Состав для наплавляемого покрытия /Ушаков В.В., Воейков В.А., Кукушкин И.В., Сте-тюха В.А., Селезнев А.А. ( не подлежит опубликованию в открытой печати).

11. Ушаков В.В., Коновалов С.В., Коганзон М.С. Сопоставительный анализ отечественных методов расчета жестких дорожных одежд //Совершенствование методов строительства и эксплуатации автомобильных дорог: Сб.науч.тр./ МАДИ.~ 1982.- С.46-52.

12. Ушаков В.В., Кожухов А.Г. Влияние добаЕок водорастворимых полимеров на морозостойкость бетона в условиях Забайкалья //Надежность строительных материалов и конструкций в условиях сурового климата: Сб.науч.тр./ ЧитПИ.- 1983.- С.5-8.

13. Ушаков В.В. Применение отходов промышленности при строительстве жести« дорожных одежд //Тез. докл. научн.-практ.конф.-Ростов-на-Дону: 1935.

14. Ушаков В.В. Использование отходов горного производства е дорожном строительстве //Записки Забайкальского филиала географического общества СССР.- 1986.- Вып.119.-С.181-182.

15. Ушаков В.В. Проектирование и устройство жести« дорожньв одежд в Великобритании //Автомоб.дороги.- 1987.- N2.-'С.28.

16. Ушаков В.В., Коновалов С.В. Оценка влияния климатическю условий на работоспособность цементобетонных покрытий //Совершенствование технологии и организации строительства и эксплуатации автомобильных дорог: Сб.науч.гр./ МАДИ.- 1987.- С.4-8.

17. Ушаков В.В., Таболин В.С., Сергеев К.И., Седин А.Ф. Про: изводство строительных работ в условиях сурового климата: Учебно! пособие.- Чита: ЧитПИ, 1987,- 83 с.

18. Ушаков В.В. Использование в строительстве отходов энергетической промышленности Забайкалья.- Чита: ЧитЦНТИ, 1987,- 25 с

19. Ушаков В.В. Использование химических добавок в бетонах. -Чита: ЧитЦНТИ, 1939.- 26 с.

20. УшакоЕ В.В. Комплексное использование отходов горной промышленности Забайкалья //Труды IV регионального совещания по раз витию производительных сил Чит.обл.- Чита, 1989.

21. Ушаков В.В., Данилова Э.Г. , Кожухов А.Г. Расчет дорожны одежд: Учебное пособие.- Чита: ЧитПИ, 1990.- 42 с.

22. Ушаков В.В., Кожухов К.Г. Комплексное использование отхо

дов в строительстве //Ресурсосбережение и экология: Тез.докл. респуб. науч.-практ. конф.- Ижевск, 1990'.

23. Ушаков В.В. Исследование долговечности бетонов жестких дорожных одежд с добавками золы уноса ТЭЦ //Вопр.проектир., стр-ва и содержания автомоб.дорог и мостов в условиях Сибири.-Томск. 1990.- С.115-119.

24. Ушаков В.В. Оценка состояния и прочности дорожных одежд в условиях Забайкалья //Повышение эффективности дорожного строительства в условиях Сибири: Межвуз.сб.науч.тр./ КуэПИ.- Кемерово, 1991.- С.76-78.

25. Ушаков В.В. Строительство автомобильных дорог из укатываемого бетона //Применение отходов промышленности и местных материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог: Тез.докл. на Всесоюзн. научн.-практ. конф.- Владимир, 1991.

26. Ушаков В.В., Данилова Э.Г. Устройство дорожных одежд из местных строительных материалов и откодов промышленности: Учебное пособие.- Чита: ЧитПИ, 1991.- 69 с.

27. Ушаков В.В. Оценка трзспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог Читинской области //Повышение эффективности строительства и эксплуатации транспортных сооружений в условиях сурового климата: Межвуз.сб.науч.тр./ Под ред. В.В.Ушакова, Чита: ЧитПИ, 1992.- С.58-62.

28. Ушаков В.В., Новиков В.А., Елисеева Л.И. Исследование теплопроводности строительных материалов и конструкций //Повышение эффективности строительства и эксплуатации транспортных сооружений в условиях сурового климата: Межвуз.сб.науч.тр./ Под ред. З.В.Ушакова, Чита: ЧитПИ, 1992,- С.71-74.

29. Ушаков В.В. Укатанный бетон для строительства автомобильных дорог //Актуальные проблемы механизации дорожного строительства: Тез.докл. на республ. конф.- С.-Петербург, 1992.- С.58.

30. Ушаков В.В. Проектирование и строительство жестких покрытий карьерных дорог в условиях сурового климата //Вестник Читинского политехнического института. Вып.1,- М.: Издательство Московского государственного горного университета, 1994.- С.111-119.

31. Ушаков В.В. Влияние состояния карьерных дорог на производительность автомобильного транспорта и себестоимость перевозок '/Вестник Читинского политехнического института. Вып.2.- М.: Из-

дательство Московского государственного горного университета, 1995.- С.63-69.

32. Ушаков В.В. Снижение загрязнения окружающей среды автомобильным транспортом в карьерах //Экологические проблемы горного производства: Доклад нз международной конференции.- М.:, МТУ, 1995,- С.137-138.

33. Ушаков В.В. Оценка влияния климатических воздействий на срок службы и состояние жестких покрытий карьерных дорог //Перспективы развития горнодобывающей промышленности: Тез.докл. на международной конференции.- Новокузнецк, 1995.

34.' Ушак_ В.В'. Повышение работоспособности жестких дорожных, одежд в условиях сурового климата //Экономия энергии при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог: Тез.докл. на Российской науч. -техн. конф.- Суздаль, 1995.

35. Ушаков В.В. Строительство-карьерных технологических дорог с жестким покрытием в условиях сурового климата ./Строительные и дорожные машины и их использование в современных условиях: Тез.дога, на респуб. науч.-техн. конф.- С.-Петербург, 1995.

36. Ушаков В.В. Строительство автомобильных дорог из жестких укатываемых смесей //Повышение качества дорожного строительства: Труды /МАДИ.- М., 1995.

37. Решение ВНШГПЭ от 30.08.95 о выдаче' патента по заявке N 94029118/33(029175) - Способ обработки заполнителя длд тяжелых бетонов /Ушаков В.В., Елисеева Л.И.

38. Ushakov V.V., Cabrera J.G. High Fly Coneretes //Journal of the American Concrete Institute /November - December 1984, N0.6, Proceeding's V. 81.- p.654-656.

39. Ushakov V.V. High pulverised fuel ash construction of road pavements //Concrete Research Seminar: Summary of papers for presentation at the 18 th SEMINAR. - UK, 1984. -p.20.

40. Ushakov V.V., Cabrera J.G. Long- term durability of the high PFA concretes //Institutions of Hig+iwau Engineering: Desem-ber, 1934, p.24.

41. Ushakov V.V. Reduction of Environmental Pollution Caused by Transport Vehicles in,Quarries //Fourth International Symposium of mine planning1 and equipment selection. - Calgary, Alberta, Canada, 1995.