автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Комплексное проектирование автомобильных дорог на основе пространственного моделирования

АРХАНГЕЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

КУЛИЖНИКОВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ

Комплексное проектирование автомобильных дорог на основе пространственного моделирования (на примере Европейского Севера России)

05.23.11 - Строительство автомобильных дорог и аэродромов

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант

докт. техн. наук, профессор

М.Н.ПЕРШИН

Архангельск, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................................................................................... 5

1. Состояние вопроса. Цели и задачи исследований..........................12

1.1. Состояние теории и практики в области проектирования трассы и земляного полотна в условиях Европейского Севера.... 12

1.2. Состояние научных исследований в области математического моделирования рельефа, геологических и гидрогеологических условий местности.......................................................27

1.2.1 Моделирование рельефа местности...........................28

1.2.2 Математические модели для описания гидрогеологических условий местности..................................................40

1.2.3 Математические модели для описания геологического строения местности........................................................... 49

1.2.4 Направления исследования по созданию интегрированной пространственной МРГГМ.....................................54

1.3 Современные методы изыскательских работ для моделирования геологических и гидрогеологических условий местности ... 56 1.4 Цели и задачи исследований.................................................70

2. Постановка методики моделирования...........................................71

2.1. Рабочая гипотеза и авторские возрения................................71

2.2. Основные принципы построения методики моделирования рельефа, элементов геологии и гидрогеологии местности..........83

2.2.1. Методика изысканий грунтово-гидрогеологических условий местности ............................................................ 83

2.2.2. Методика определения границ полосы варьирования трассы .............................................................................. 87

2.2.3. Принципы построения интегрированной пространственной МРГГМ ................................................................ 92

Выводы по главе 2 ........................................................... 95

3. Интегрированная пространственная модель рельефа, элементов геологии и гидрологии местности....................................................98

3.1. Исходные данные для интегрированной пространственной МРГГМ.................................................................................... 98

3.2. Моделирование рельефа, элементов геологии, гидрологии местности и границ их сопряжения............................................99

3.2.1. Построение оптимальной триангуляции ...................99

3.2.2. Построение гладкой аппроксимации поверхностей элементов геологии и гидрогеологии, триангулирован-

ных по принципу Делоне ..................................................107

3.2.3. Математические модели поверхностей элементов геологии и гидрогеологии................................................ 112

3.2.4. Моделирование границ сопряжений элементов геологии и гидрогеологии................................................ 113

3.2.5. Модели с измельчением и переходом к прямоугольной сетке и повторной гладкой аппроксимацией поверхностей с помощью бикубических сплайнов............................120

3.3. Типизация и схематизация гидрогеологических условий......121

3.4. Прогнозирование расчетного уровня грунтовых вод...........125

3.4.1 Постановка вопроса................................................. 125

3.4.2. Прогнозирование расчетного уровня грунтовых вод.. 128 Выводы по главе 3.................................................................134

4. Исследования оптимальных параметров интегрированной пространственной МРГГМ и оценка ее эффективности..........................136

4.1. Цели и задачи исследований.............................................136

4.2. Обоснование методики и оптимальных параметров моделирования .............................................................:.....................137

4.2.1. Обоснование методики и оптимальных параметров моделирования поверхностей для линейных объектов......138

4.2.2. Выбор оптимальных параметров элементов моделирования поверхностей при удвоенном количестве исходной информации .................................................................... 153

4.2.3. Обоснование методики и оптимальных параметров моделирования поверхностей для площадных объектов ... 160

4.3. Проверка адекватности моделирования рельефа, элементов геологии и гидрогеологии местности по интегрированной

пространственной МРГГМ......................................................172

4.3.1. Укрупненный алгоритм расчета.............................172

4.3.2. Обоснование допустимой погрешности моделирования ............................................................................. 176

4.3.3. Характеристика программы моделирования рельефа, элементов геологии и гидрогеологии местности......181

4.3.4 Оценка адекватности моделирования......................182

4.4. Оценка эффективности новой технологии проектно-изыскательских работ............................................................. 188

4.4.1. Проверка методики назначения руководящих отметок по результатам исследований на опытных участках автомобильных дорог..................................................... 188

4.4.2. Оценка эффективности новой технологии проектно-изыскательских работ.................................................... 190

4.4.3. Оценка погрешности выполнения грунтово-гидро-геологических изысканий георадарами...........................192

Выводы по главе 4

194

5. Ресурсосберегающие конструкции земляного полотна..............197

5.1. Пути снижения руководящих отметок насыпей на основе использования регулирующих прослоек...................................197

5.1.1. Конструирование земляного полотна с теплоизолирующими слоями, исключающими промерзание подстилающих грунтов ................................................................. 199

5.1.2. Конструирование земляного полотна с теплоизолирующими слоями, ограничивающими промерзание грунтов земляного полотна .......................................................... 212

5.1.3. Конструирование земляного полотна с гидроизолирующими слоями ............................................................ 222

5.2. Исследования эффективности снижения руководящих отметок насыпей за счет устройства регулирующих прослоек......225

5.2.1. Методика экспериментальных исследований...........225

5.2.2. Конструкции с теплоизолирующими слоями............228

5.2.3. Конструкции с гидроизолирующими слоями............237

Выводы по главе 5.................................................................. 241

6. Практические рекомендации. Технико-экономическая оценка предлагаемых решений .................................................................. 244

6.1 Выбор оптимального проложения трассы в по интегрированной пространственной МРГГМ. Экологические аспекты......244

6.2 Рекомендуемые конструкции земляного полотна.................251

6.3 Технико-экономическая эффективность предлагаемых решений ...................................................................................... 263

Выводы по главе 6................................................................... 268

Общие выводы ............................................................................... 270

Литература ..................................................................................... 275

Приложение 1 ............................................................................... 296

Приложение 2 ............................................................................... 301

Приложение 3 ............................................................................... 309

Приложение 4 ............................................................................... 312

Приложение 5 ............................................................................... 338

Введение

Современная дорожная сеть Европейского Севера России не отвечает элементарным требованиям развития экономики региона и потребностям населения. По плотности автомобильных дорог с твердым покрытием Республика Карелия занимает 56-е, Архангельская область - 68-е, Республика Коми - 70-е место из 75 объектов Российской Федерации [21,88]. В Архангельской области почти половина районов не имеет надежного выхода к областному центру, при этом девять районных центров вообще не имеют связи с Архангельском по дорогам с твердым покрытием, 40% населенных пунктов не соединены прямым автомобильным сообщением друг с другом. В Республике Коми восемь центров административно-территориальных образований не имеют надежной автомобильной связи с Сыктывкаром. Более половины населенных пунктов, 20% городов и рабочих поселков, 50% сельских населенных пунктов и 30% центральных усадеб также не обеспечены постоянной круглогодичной связью с районным центром.

Степень удовлетворения потребности в дорогах общего пользования в Республике Коми составляет по меньшей мере 50% [21], в Архангельской области - 53% [88]. Таким образом, необходимо расширить сеть дорог на Европейском Севере России почти в два раза. Кроме того, существующие автомобильные дороги требуют значительно больших затрат на реконструкцию, в связи с увеличением интенсивности движения и транспортных нагрузок. Одной из главных причин катастрофического положения с автомобильными дорогами на Севере России является географическое местоположение региона.

Суровые природно-климатические и неблагоприятные грунтово-гидро-

логические условия Европейского Севера, как известно, существенно снижают сроки службы дорожных сооружений [125,127]. В этих условиях особое значение приобретает тщательная оценка грунтово-гидрогеологических особенностей оснований автомобильных дорог.

Большая часть региона расположена в равнинной местности, расчлененной сетью широких понижений, занятых долинами крупных рек. Основными почвообразующими породами являются моренные суглинки, перекрытые суглинистыми, супесчаными и песчаными пылеватыми грунтами толщиной от 0,25 до 1,5 м [127]. Кондиционных материалов для возведения земляного полотна явно недостаточно. На большей части территории их просто нет. Средний многолетний горизонт грунтовых вод перед началом промерзания составляет 0,25 м от уровня поверхности земли [127]. Расчетный уровень грунтовых вод (РУГВ) на ряде участков автомобильной дороги Архангельск-Москва достигает 0,013 м [125], что практически соответствует поверхности земли. За год в среднем выпадает около 500 мм осадков, что на 100 мм превышает возможное испарение [127]. По характеру и степени увлажнения весь Север Европейской части России относится ко II и

111 типам местности по условиям увлажнения.

Холодные и продолжительные зимы (период промерзания 165-200 суток при сумме градусо-суток отрицательных температур за зиму 1300-2300 ) благоприятствуют глубокому сезонному промерзанию грунтов (более 3 м от поверхности покрытия на участках насыпей). В мягкие зимы на многих дорогах наблюдается достаточно интенсивное морозное пучение (средняя величина пучения для дорог с асфальтобетонным покрытием 68...95 мм [127]). Причем пучению подвергается слой грунта мощностью до 2,25...2,50 м [113,127]. В связи с чем на Европейском Севере при различных типах покрытия толщина слоев из стабильных материалов должна назначаться от 50 до 170 см [116]. Обильное зимнее влагонакопление способствует переувлажнению и снижению несущей способности грунтов земляного полотна в весенний период. По существующим данным [127], весной

модуль упругости на поверхности дорожной одежды уменьшается в 2 раза по сравнению с максимальным значением.

Опыт эксплуатации автомобильных дорог в условиях Севера Европейской части России показывает, что запроектированные и построенные по существующим строительным нормам и правилам, они имеют всего лишь трех летний срок службы асфальтобетонных покрытий, а протяженность разрушенных участков весной достигает ежегодно более 20% [127].

Выполненные исследования свидетельствуют, что основными причинами быстрого разрушения дорожных одежд являются заниженные на Севере согласно СНиП 2.05.02-85 нормы возвышения покрытия над уровнем грунтовых (поверхностных) вод и традиционная методика проложения трасс автомобильных дорог, учитывающая главным образом только ситуацию и рельеф местности. В результате грунтовые воды часто оказываются близкими к поверхности земли, подстилающие грунты - чрезмерно пучинисты-ми. В этом случае требуются насыпи большой высоты. При традиционном подходе к проектированию плана будущий продольный профиль дороги в должной степени не моделируется по грунтово-гидрогеологическим условиям. Тем самым затрудняется оценка материалоемкости и несущей способность будущей дороги [119]. Поэтому в современных условиях стоимость возведения земляного полотна на Севере России, запроектированного по трассе без надлежащего учета грунтово-гидрогеологических условий, достигает до 30...35% от сметной стоимости автомобильной дороги. Но даже в этом случае, как показали исследования выполненные Т.А.Гурьевым, В.А.Лукиной еще в начале 70-ых годов, для соблюдения требуемой работоспособности насыпей из непылеватых песков необходимо повысить высоту земляного полотна еще на 0,4...0,6 м [127].

Таким образом, в целях снижения материалоемкости и обеспечения несущей способности дорожных конструкций на Европейском Севере России, одной из важнейших задач является разработка и внедрение в практику новой технологии проектно-изыскательских работ, предусматривающей при вариантном проложении трассы геометрическое моделирование про-

дольного профиля путем назначения руководящих отметок по грунтово-гид-рогеологическим условиям местности и учета модуля упругости подстилающего грунта, а также пересмотр норм проектирования земляного полотна.

Перспективным направлением при решении проблем увеличения темпов дорожного строительства и повышения эксплуатационной надежности автомобильных дорог является комплексное проектирование трассы и конструкций земляного полотна на основе использования интегрированной пространственной модели рельефа, элементов геологии и гидрогеологии местности (МРГГМ). Современное развитие теории моделирования и вычислительной техники позволяет сегодня реализовать такую модель.

В связи с изложенным необходимо обосновать основные принципы и методы комплексного проектирования автомобильных дорог и разработать математический аппарат интегрированной пространственной МРГГМ.

Настоящая работа является продолжением исследований, начатых на кафедре автомобильных дорог АГТУ канд. техн. наук Т.А.Гурьевым и канд. техн. наук В.А.Лукиной, которыми были экспериментально определены особенности водно-теплового режима грунтов земляного полотна на Севере России. Полученные результаты указали диссертанту на необходимость решения задачи в 3-х мерной постановке и были использованы при определении критериев сравнения вариантов по грунтово-гидрогеологичес-ким условиям.

Цель работы - разработка метода комплексного проектирования трассы и ресурсосберегающих конструкций земляного полотна на основе использования новой технологии проектно-изыскательских работ, базирующейся на интегрированной пространственной МРГГМ.

Научная новизна Разработан метод комплексного проектирования трассы и ресурсосберегающих конструкций земляного полотна на основе пространственного моделирования рельефа, элементов геологии и гидрогеологии местности. Обоснован выбор эффективного варианта автомобильной дороги в трехмерной постановке.

На защиту выносятся:

технология инженерных изысканий в пределах аналитически обоснованной полосы варьирования трассы, отличающаяся использованием грунтовых георадаров и спутниковых систем позиционирования;

математический аппарат и программный продукт интегрированной пространственной МРГГМ, позволяющей в любой точке полосы варьирования трассы определить исходные данные для комплексного проектирования, включая высоту поверхности земли, глубину заложения подошвы геологических слоев и РУГВ;

методика назначения руководящей отметки по грунтово-гидрогеологи-ческим условиям, учитывающая тип покрытия дорожной одежды, тип грунта насыпи и подстилающего грунта земляного полотна, положение уровня грунтовых или поверхностных вод;

математические модели, позволяющие установить погрешности моделирования поверхностей в зависимости от перепада высот и размеров сторон треугольников Делоне; оптимальные размеры исходных данных для моделирования поверхностей площадных объектов полиномами и аналитическими сплайнами;

теоретически обоснованные и экспериментально доказанные гипотезы: существования эффективной влажности теплоизоляционных материалов, предназначенных для устройства теплоизолирующих слоев, исключающих промерзание грунтового основания; возможности эффективного разделения высокопористого теплоизоляционного материала прослойкой, прерывающей диффузию холодного воздуха и повышающей долю контактной теплопроводности при промерзании;

математические модели, адекватно описывающие влияние компонентов вяжущего на физико-механические характеристики теплоизоляционных смесей; состав и технология устройства гидроизолирующего слоя из местных материалов;

принципы проектирования ресурсосберегающих конструкций земляного полотна с теплоизолирующими и гидроизолирующими слоями.

Практическая ценность работы. Внедрение метода комплексного про-

ектирования трассы и конструкций земляного полотна позволит решить важные народно-хозяйственные проблемы: увеличить темпы дорожного строительства за счет снижения строительной стоимости, а также обеспе-

и ____

чить эксплуатационную надежность дор