автореферат диссертации по строительству, 05.23.19, диссертация на тему:Обеспечение экологической безопасности строительства грунтовых сооружений в сложных гидрогеологических условиях

На правах рукописи

005047793

Чижиков Илья Александрович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА ГРУНТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

05.23.19 - Экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О ДЕК 2012

Москва - 2012

005047793

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Щербина Елена Витальевна

Слесарев Михаил Юрьевич,

_ , доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: лгтттгт „ „

* ФГБОУ ВПО «Московский государствен-

ный строительный университет», кафедра «Комплексная безопасность строительства», профессор

Кочетков Андрей Викторович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.", кафедра "Транспортное строительство", профессор

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего про-Ведущая организация: , _ „ г

у фессионального образования "Волгоград-

ский государственный архитектурно-строительный университет"

Защита состоится «19» декабря 2012 г. в «16» часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.07 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. № 9 «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «<&> ноября 2012г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Потапов Александр Дмитриевич

Актуальность темы.

Строительство грунтовых сооружений при подготовке территорий для размещения инженерно-транспортной инфраструктуры городов и населенных мест требует значительных капитальных вложений, которые в сложных гидрогеологических условиях могут составлять от 30 до 50% сметной стоимости. Значительная доля этих работ приходится на линейные грунтовые сооружения: дамбы, плотины, шумозащитные насыпи, грунтовые дороги, при этом негативные воздействия на окружающую среду сопоставимы с масштабами строительства.

В концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации до 2020 г. особое внимание сосредоточено на задаче экологической безопасности северных районов России и территории Западной Сибири, которая служит источником поставки энергоресурсов на мировые рынки, а также характеризуется сложными гидрогеологическими условиями.

Данные государственных природоохранных органов и результаты выполненных исследований свидетельствуют о том, что значительный экологический ущерб региону наносят крупномасштабные механические воздействия на земельные ресурсы региона при строительстве грунтовых дорог, которые часто приводят к глубоким, необратимым изменениям экосистем, формированию техногенных ландшафтов. Сложившаяся практика строительства земляного полотна грунтовых дорог с использованием традиционных материалов в таких условиях не обеспечивает требуемый уровень экологической безопасности, который определен на государственном уровне в программе «Основы государственной политики в области экологического развития Российской Федерации на период до 2030 года». Это определило необходимость выполнения исследований применительно к строительству грунтовых дорог, как наиболее распространенному типу грунтовых сооружений.

В качестве экспериментальной площадки для строительства грунтовой дороги был выбран п. Салым, гидрогеологические условия которой являются типичными для региона Западной Сибири. Поэтому диссертационная работа, посвященная разработке методов обеспечения экологической безопасности строительства грунтовых сооружений, на основе разработки биопозитивной конструкции и техноло-

гии строительства грунтовых дорог в сложных гидрогеологических условиях, актуальна и имеет научное и практическое значение.

Цель диссертационного исследования - теоретическое и экспериментальное обоснование методов обеспечения экологической безопасности строительства грунтовых сооружений (на примере грунтовых дорог) в сложных гидрогеологических условиях.

Дня достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1) Провести аналитический обзор экологических проблем, возникающих при строительстве грунтовых дорог традиционными методами; выполнить постановку и обоснование задач исследования.

2) Определить критерии, разработать методику и алгоритм расчетов экологической оценки конструкций грунтовых дорог.

3) Разработать биопозитивную конструкцию грунтовой дороги (геометрические размеры грунтовой насыпи, тип и прочность армирующего материала, количество слоев армирования, коэффициент условия работы), позволяющую обеспечить экологическую безопасность строительства подобных объектов в сложных гидрогеологических условиях.

4) Разработать программу и провести натурный эксперимент по апробации биопозитивной конструкции грунтовой дороги в реальных гидрогеологических условиях. Выполнить экологическую оценку предложенной конструкции.

Объект исследования — методы обеспечения экологической безопасности строительства грунтовых сооружений в сложных гидрогеологических условиях.

Рабочая гипотеза: строительство грунтовых дорог приводит к образованию новой природно-технической системы (ПТС ГД), включающей техногенную составляющую - конструкция грунтовой дороги; и природную составляющую -часть геосферы, вмещающей конструкцию и воспринимающей техногенное воздействие. Экологическая безопасность строительства может быть обеспечена на основе применения биопозитивной конструкции грунтовой дороги, позволяющей снизить негативные воздействия на окружающую среду.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что:

- впервые выполнено теоретическое и экспериментальное обоснование биопозитивной конструкции грунтовой дороги, обеспечивающей снижение техногенного воздействия природно-технической системы «грунтовая дорога» на окружающую среду;

- определены критерии, разработана методика и алгоритм расчета экологической оценки природно-технической системы «грунтовая дорога», которые направлены на обеспечение экологической безопасности строительства линейных грунтовых сооружений в сложных гидрогеологических условиях.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная биопозитивная конструкция грунтовой дороги внедрена в практику проектирования и строительства. Она использована при строительстве грунтовых дорог в условиях Западной Сибири компанией Салым Петролеум Девелопмент (Нидерланды) и может быть распространена на другие территории, характеризующиеся аналогичными сложными гидрогеологическими условиями.

Результаты исследования использованы при разработке стандарта организации ООО «ВЗТМ» (Волжский завод текстильных материалов) СТО 80193846007-2012 «Рекомендации по применению биопозитивных конструкций в сложных гидрогеологических условиях».

Апробация работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на: фестивале «Научно-технического творчества молодежи» в работе круглого стола «Экология и современность», (Москва, 2001 г.); Н-й научно-технической конференции «Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов» (Санкт-Петербург. 2002 г.); Международной научно-технической конференции «Опыт строительства и реконструкции зданий и сооружений на слабых грунтах» (Архангельск, 2003 г.); Шестой традиционной (Первой международной) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов «Строительство и формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2003 г.), IX Международной выставке молодежных научно-технических проектов «ЭКСПО-Наука, 2003 г.», Первой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного и тру-

бопроводного транспорта в Уральском регионе» (Пермь, 2005 г.), Международной научной конференции, посвященной 90-летию МГСУ-МИСИ «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, 2011 г.).

Публикации: по теме работы опубликовано 10 статей в научных журналах из них 5 статей в журналах рекомендованных ВАК РФ.

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» на кафедре «Городское строительство и экологическая безопасность».

На защиту выносятся:

• Критерии, методика и алгоритм расчета экологической оценки природно-технической системы «грунтовая дорога», которые направлены на обеспечение экологической безопасности строительства линейных грунтовых сооружений в сложных гидрогеологических условиях.

• Предложенная конструкция грунтовой дороги (геометрические размеры грунтовой насыпи, тип и прочность армирующего материала, количество слоев армирования, коэффициент условия работы), позволяющая обеспечить экологическую безопасность строительства подобных объектов в сложных гидрогеологических условиях.

• Результаты натурного эксперимента по апробации биопозитивной конструкции грунтовой дороги в реальных гидрогеологических условиях, обосновывающие выполненные теоретические исследования и расширяющие современные научные представления в части проектирования грунтовых сооружений.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается результатами натурного эксперимента апробации предложенной конструкции грунтовой дороги в реальных гидрогеологических условиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и четырех глав, общих выводов, библиографии, трех приложений, изложена на 129 страницах машинописного текста, включая 22 рисунка, 18 таблиц, список литературы из 110 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы рабочая гипотеза, цель и задачи исследований, описана методика экспериментов, отмечены достоверность и научная новизна результатов, практическая значимость выводов и рекомендаций.

В первой главе выполнен аналитический обзор научно-технической литературы и фондовых материалов, обоснована постановка задач исследования.

Показано, что значительная доля строительства грунтовых дорог приходится на территорию Западной Сибири, которая служит источником поставки энергоресурсов на мировые рынки, а также характеризуется специфическими инженерно-геологическими условиям!.

Так как большую часть территории Западной Сибири занимают болота, включая торфяники, т.е. слабые водонасыщенные грунты с низкой несущей способностью, это определило выбор для дальнейшего анализа наиболее распространенных в настоящее время методов строительства грунтовых дорог:

- выторфовка грунтов основания, предусматривающая полную или частичную отчистку основания от слабых грунтов, с их заменой на строительный грунт (песок различной крупности), позволяющая обеспечить высокую однородность основания и уменьшить риск не достижения требуемого срока службы грунтовой дороги.

- устройство лежневых настилов для повышения несущей способности основания, для чего на заболоаенные участки укладываются лежни (заранее подготовленная древесина, обрезанная от сучков с заданным диаметром и определенной длины).

Установлено, что строительство грунтовых дорог наносит экологический ущерб природной составляющей природно-технической системы «грунтовая дорога». Изменение гидродинамического режима территории, подтопление, осушение части болот, приводит к изменениям экосистем, деградации растительности и изменению растительного сообщества. Строительство грунтовых дорог приводит к разрушению природных экосистем и образует новую природно-техническую систему «грунтовая дорога» (Рис.1).

Рис. 1 Схема модели природно-технической системы «грунтовая дорога»

Проведенный анализ обосновывает принятую рабочую гипотезу, что грунтовой дороги являются искусственно образованными и функционирующими длительное время природно-техническими системами, техногенная составляющая которых (строительство и эксплуатация) взаимодействует со всеми элементами биосферы, и ее влияние не ограничивается границами области размещения грунтового сооружения. Поэтому экологическую оценку конструкций следует выполнять на основе анализа природно-технической системы «грунтовая дорога» (ПТС ГД) и теоретических подходов системы экологического технического регулирования, которая включает экологическую экспертизу различных уровней, в том числе уровня экологической безопасности биопозитивной конструкции.

При этом экспертиза уровня «экологической безопасности перспективной строительной конструкции представляет оценку соответствующих показателей экологической безопасности аналогичных образцов строительной продукции». Этот подход был принят за основу решения задачи выбора схем и параметров биопозитивной конструкции грунтовой дороги, которая должна пройти сравнительную оценку с используемыми сегодня аналогами.

Для выбора оптимальной конструкции грунтовой дороги, позволяющей снизить техногенные воздействия на природную составляющую был проведен анализ научно-технической и нормативной литературы, а также фондовых материалов, в результате которого была определена целесообразность использования инновационного метода расчета и проектирования, основанного на использовании

эффекта армирования основания земляного полотна геосинтетическими материалами.

Исследования в этом направлении проводились в МГСУ для объектов г. Москвы: «Внутригородская кольцевая магистраль на участке от Волгоградского проспекта до автозаводской улицы», отчет НИР дог. № 490/00; «Транспортная развязка на 19 км МКАД. Автодорога Беседы-Братеево», отчет НИР дог. №322/99; «Дорога по проезду 5396 от Братеевского путепровода на МКАД», отчет НИР дог. №290/99, с участием автора. Армирование слабых грунтов высокопрочными геосинтетическими материалами позволяет перераспределить напряжения в конструкции, повысить несущую способность основания.

Во второй главе выполнен анализ и обобщение данных воздействия строительства грунтовых дорог на элементы экосистемы, который позволил выделить основные факторы техногенного воздействия на природную составляющую ПТС ГД, учет которых необходим для выполнения экологической оценки биопозитивной конструкций с объектами аналогами (Таб.1).

Таблица 1 Основные факторы антропогенного воздействия на природную составляющую

грунтовых дорог

Природная составляющая ПТС Антропогенный фактор Характеристика воздействия

Атмосфера Автомобили, находящиеся на дороге Загрязнения атмосферы в результате выбросов отработанных газов, продуктов износа деталей автомобилей и грунтовых шин

Земляное полотно Изменение температурного, влажностного, ветрового режима

Дорожная одежда Влияние на количество и состав отработанных газов, количество продуктов износа автомобилей и грунтовых покрышек. Загрязнение воздуха продуктами износа дорожной одежды (пыль).

Гидросфера Земляное полотно и искусственное основание Загрязнение поверхностных вод продуктами эрозии земляного полотна, износа автопокрышек, мусором, нефтепродуктами. Изменение поверхностного стока. Изменение гидродинамического и геохимического режима в результате замены природных грунтов. Осушение и подтопление территорий.

Почвенный покров и грунты Земляное полотно и искусственное основание Загрязнение и деградация почвенного покрова в результате проведения строительных работ, загрязнения продуктами износа авто-

транспорта. Образование техногенных грунтов. Необходимость утилизации изъятых торфов.

Дорожная одежда Загрязнение и деградация почв в результате загрязнения продуктами износа деталей машин, грунтовых покрышек, утечками и разливами нефтепродуктов.

Ландшафт Все элементы конструкции Изъятие территории под инженерные сооружения, карьеры, кавальеры, строительные площадки, подъездные пути. Фрагментирование территории. Изменение рельефа.

Растительность Дорожная одежда, земляное полотно и искусственное основание Сокращение разнообразия растений на прилегающих территориях, вытеснение естественных видов. Вырубка лесов для создания лежневых настилов и подпорных стенок котлованов.

В работе были рассмотрены различные методы экологической оценки; в том

числе контрольные списки, матрицы, сети, наложение карт, географические информационные системы (ГИС), экспертные системы. Все эти методы имеют свои плюсы и минусы для экологической оценки воздействия строительства грунтовых дорог. Принимая во внимание специфику задачи экологической оценки конструкции грунтовой дороги, в которой оцениваемые характеристики могут иметь количественные и качественные значения, метод квалиметрии архитектурно-строительного проектирования наиболее полно соответствует решению поставленной задачи.

Первое защищаемое положение. Автором предложена новая методика экологической оценки ПТС грунтовой дороги - методика «дерева результатов», основанная на методе прикладной квалиметрии архитектурно-строительного проектирования. Цель методики «дерева результатов» получить количественные показатели экологической безопасности новых конструкций и технологий для всех этапов строительства и эксплуатации грунтовой дороги. Сущность данной методики заключается в построении дерева, состоящего из комплексных экологических критериев, которые, в свою очередь, делятся иерархически на простые и квазипростые экологические критерии. Простые и квазипростые критерии определяются числовыми параметрами или с помощью экспертных оценок, при этом каждый уровень критериев имеет свою значимость и весомость. При этом комплексная экологи-

и

ческая оценка определяется в пределах от 0 до 1; чем ниже воздействие на окружающую среду, тем ближе к 0 значение параметра экологической оценки.

Преимущества данного метода заключаются в возможности оценки параметров не только самой грунтовой дороги, но и параметров технологии ее возведения, в виде комплексной системы. В разных рекомендательных и нормативных документах содержится множество частных критериев экологической безопасности, при этом часто невозможно судить, по какому из этих критериев можно вынести окончательное суждение о безопасности того или иного объекта. В результате возникает потребность разработки и использования небольшого числа критериев экологической безопасности и получения на их основе обобщенной оценки экологической безопасности состояния объекта.

Предложено разделение экологических критериев на прямые и косвенные.

К прямым экологическим критериям относятся критерии, оказывающие прямое воздействие на окружающую среду в результате строительной деятельности, которые непосредственно отражают уровень состояния изменений атмосферы, поверхностных и грунтовых вод, почв, напряженно-деформированного состояния грунтов.

Косвенные экологические критерии - это критерии, учитывающие опосредованное воздействие — через хозяйственную деятельность долговременного характера, которые могут быть учтены посредством технико-экономических показателей техногенной составляющую ПТС - конструкция дороги, технология ее возведения и эксплуатации, стоимость работ. Биопозитивные конструкции - конструкции, применение которых позволяет снизить техногенные воздействия на природную составляющую ПТС ГД и уменьшить экологические ущербы. При этом следует отметить, что развитие системы экологической экспертизы на более высоких уровнях позволит через косвенные экологические критерии стимулировать разработку биопозитивных конструктивных решений, посредством реализации экономического рычага управления - платы за использованные ресурсы, использования земли, учета затрат на мероприятия по охране и реабилитации окружающей среды.

Метод экологической оценки ПТС ГД, основанный на методах прикладной квалиметрии, предусматривает следующий алгоритм:

1. Построение «дерева результатов» экологической оценки природно-технической системы грунтовых дорог в сложных гидрогеологических условиях. При составлении «дерева результатов» необходимо соблюдать основные принципы.

1) Значение параметра оценки может быть определено аналитическим способом, не только для простых критериев находящихся на нижнем уровне иерархии, но и для некоторых комплексных критериев, находящихся на более высоких уровнях иерархии. Например, критерий «2.9 Продолжительность строительства» определяется сразу, а критерий « 2.10 Материалоемкость» и « 2.11 Трудоемкость» определяются через более простые параметры.

2) При делении любого комплексного критерия внутри каждый группы критериев должен использоваться только один признак деления, характерный для данной группы.

3) Количество уровней в дереве результатов должно быть таким, чтобы в каждой группе находилось минимальное количество критериев (желательно 2-4).

4) Принцип первоочередности признаков с меньшим числом градаций, то есть если деление на группу может быть проведено по нескольким классификационным признакам и отсутствуют очевидные соображения по поводу того, какой должен быть признак использован в первую очередь, нужно применять тот признак, у которого по сравнению с остальными, имеется меньшее число градаций.

Согласно изложенным принципам построено дерево результатов, использованное для экологической оценки конструкции и технологии строительства грунтовых дорог в сложных гидрогеологических условиях. (Рис.2) 2. Определение коэффициентов весомости параметров «дерева результатов».

Коэффициенты весомости Л^ устанавливаются экспертным путем на каждом уровне «дерева результатов». Экспертиза должна проводиться грамотными, высококвалифицированными, компетентными в рассматриваемых вопросах и достаточно опытными специалистами. При этом сумма коэффициентов весомости каждого уровня дерева должна быть равна 1, независимо от того, на какое количество

ветвей оно разделяется далее. Полученные результаты коэффициентов весомости должны быть обработаны методами математической статистики. В результате обработки необходимо вычислить среднеарифметическое значение, дисперсию, среднее квадратическое отклонение, коэффициент вариации, ошибку репрезентативности, а так же среднее геометрическое значение. Если значения коэффициента вариации превышают 33% , то, самые большие и самые маленькие значения коэффициентов весомости исключаются.

3. Определение числовых показателей параметров «дерева результатов» (РО данные показатели должны измеряться по каждому критерию для каждого метода строительства и иметь точное значение в единицах измерения или баллах, определяемых экспертами.

4. Определение относительных показателей

КгР^ь» (1)

где Ртах максимальное численное или бальное значение одного из вариантов строительства;

5. Вычисление значения показателя экологической оценки вариантов конструкции и технологии строительства грунтовых дорог

Экологическая оценка должна находиться в пределах 0 2 Эм < 1.

При этом меньшие значения соответствуют меньшим воздействиям на окружающую среду и характеризуют биопозитивную конструкцию и технологию строительства с позиции экологической безопасности. Так же, как и при определении коэффициентов весомости, для оценки точности и достоверности полученных результатов экологической оценки для каждого варианта строительства грунтовых дорог определялось среднее арифметическое, среднеквадратическое отклонение, средне геометрическое, а также доверительный интервал при обеспечении достоверности.

Для осуществления расчетов определения экологической оценки, был разработан алгоритм и программа в среде ХЬ

Рис. 2. Дерево результатов экологической оценки нриродно-техническои системы грунтовых дорог в сложных гидрогеологических условиях.

Третья глава включает разработку и применение биопозитивной конструкции и технологии для строительства грунтовых сооружений.

Второе защищаемое положение. Разработка биопозитивной конструкции осуществлялась исходя из предпосылок, направленных на снижение негативных воздействий, обозначенных в табл. 1.

Биопозитивная конструкция и технология строительства должны обеспечить: снижение объема техногенных грунтов, образующихся в процессе строительства; снижение материало- и энернгоемкости решения; минимизации воздействий на геологическую среду; не допустимости изменений гидродинамического режима. Поэтому биопозитивная конструкция должна представлять комплексную систему каждый элемент которой выполняет определенную задачу (рис.3).

Рис. 3. Принципиальная схема биопозитивной конструкции грунтовой дороги

С этих позиций наиболее целесообразным представляется использование в конструкции земляного полотна армирующих высокопрочных геосинтетических материалов. Поэтому в биопозитивной конструкции один или несколько слоев армирующих материалов располагаются внизу земляного полотна для повышения несущей способности основания и обеспечения общей устойчивости конструкции, а также залиты от водной и ветровой эрозии. Для увеличения межремонтного срока и обеспечения качества дорожной одежды (например, исключения образования колейности) армирующий слой должен быть расположен вверху земляного полотна под слоем дорожной одежды. Высота земляного полотна определяется проектом и зависит от проектного вертикального профиля дороги. Кроме того в биопозитивную конструкцию должны интегрируются водопропуска для беспре-

пятственного прохождения воды через дорожную насыпь. В качестве армирующего материала в биопозитивной конструкции целесообразно использовать геоткань, так как она обладает широким диапазоном прочностных характеристик, легко сшивается и выполняет одновременно несколько функций: армирование разделение слоев и фильтрация.

Для обеспечения конструктивной устойчивости биопозитивной конструкции насыпи грунтовой дорога, необходимо выполнить расчеты, позволяющие определить прочность геоткани. Для обеспечения безопасной эксплуатации сооружения на расчетный срок службы сооружения необходимо определить длительную прочность армирующего материала, которая может быть вычислена по формуле 3:

Г, =КхА1ХЛ2ХЛ3, (3)

где Я - растягивающее усилие в армирующем элементе, определенное расчетом; А] - коэффициент, учитывающий ползучесть ГМ, зависящий от срока эксплуатации сооружения и вида полимера, из которого изготовлен материал; Аг - коэффициент условий работ, который зависит от климатических условий, применяемого оборудования, культуры производства и специфических свойств грунтов, поэтому его следует определять для конкретных условий; Аз - коэффициент, учитывающий влияние окружающей среды (воздействие химически агрессивных сред). Значения коэффициентов А) и Аз зависят от вида полимера и определяются стандартными испытаниями, которые широко представлены в технической литературе.

Автором разработана методика определения коэффициента условий работ «Аг» и проведены экспериментальные исследования, выполненные непосредственно на строительной площадке.

В программу исследования входило проведение испытаний геоткани, моделирующих условия ее работы в различных конструктивных и технологических условиях. На рисунке 4. представлена схема расположения экспериментальных участков, при этом каждый участок разделен на три одинаковые площадки для статистической обработки результатов.

Первый участок моделировал работу геоткани между двумя слоями песка; второй участок моделировал работу геоткани в дорожной одежде, третий и четвертый участок моделировал несанкционированный наезд грейдера и бульдозера.

Первостепенное значение имели участки с испытаниями на повреждаемость между песком и щебнем, так как в дальнейшем результаты учитывались в расчетах. А испытания на повреждаемость геоткани от грейдера и бульдозера отражают возможные разрушения материала при нарушении технического регламента при производстве строительно-монтажных работ.

3.5 . 35 3.5

1 2 3 4 5

1 2 3 4 а

1 2 3 4 5

Песок Щебень Грейдер Бульдозер

_

ц Геоткань

Рис. 4. Схема расположения экспериментальных участков.

После завершения проходок транспорта, геоткань была извлечена, и был произведен контроль повреждений: подсчет разорванных нитей по основе (продольное направление) и утку (поперечное направление). На основе полученных данных определена прочность геоткани после испытаний и вычислен коэффициент условий работы. Результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты эксперимента по определению коэффициента условий работы

№ участка п=430 нитей (по основе) Сред. знач. кэф. условий работы (по основе) а2 п=350 нитей (по утку) Сред. знач. кэф. условий работы (по утку) а2

I 11 III I И III

I 1,12 1,09 1,10 1,1 1,04 1,05 1,03 1,04

2 1,44 1,35 1,36 1,4 1,22 1,16 1,26 1,2

3 1,44 1,58 1,50 1,5 1,39 1,29 1,42 1,4

4 2,19 1,91 2,02 2,0 1,85 2,17 1,90 2,0

Полученные в результате эксперимента значения коэффициента А? были использованы в расчете биопозитивной конструкции с учетом срока службы сооружения. Кроме того, предложенная методика определения коэффициента условий работ, как одного из основных расчетных параметров биопозитивной конструкции использовалась при разработке СТО 80193846-007-2012 «Рекомендации по применению биопозитивных конструкций для дорожных насыпей в сложных геологических условиях».

Технология строительства биопозитивной конструкции полностью исключает выторфовку слабого основания, замену на грунтов, вырубку деревьев и устройство лежневых настилов. Данная технология состоит из 3-х основных этапов.

1-й этап - Подготовительный: работы по сшивке геоткани и расчистке поверхности от коряг и других крупных предметов, способных повредить армирующий материал.

2-й этап - Подсыпка выравнивающего слоя песка, укладка нижних слоев геоткани без выторфовки и устройства лежневых настилов, монтаж водопропусков и отсыпка песчаного грунта с уплотнением до проектных значений.

3-й этап - Укладка верхнего армирующего слоя геоткани и устройство дорожной одежды из щебеня.

В четвертой главе приведены натурного эксперимента по апробации биопозитивной конструкции грунтовой дороги в реальных гидрогеологических условиях, обосновывающие выполненные теоретические исследования (третье защищаемое положение). Экспериментальный участок грунтовой дороги располагался возле п. Салым.

Мониторинг проводился на участке протяженностью 2,4 км ПК 31 - ПК 58+40 с характерными для всей дороги геологическими условиями (Рис. 5). Продольный профиль дороги характеризуется наличием болот и высоким уровнем грунтовых вод, который на отдельных участках выходит на поверхность. Мощность болот колеблется от 1 до 6 м.

Рис. 5. Часть продольного профиля насыпи ПК 33 - ПК 45

Мониторинг состоял из визуальных и инструментальных наблюдений. Визуально осуществлялся контроль изменения формы конструкции насыпи, фиксировалось образование локальных провалов, воронок, деформаций конструкции. Для измерения вертикальных перемещений земляного полотна использовался тахеометр марки NET 1.

Измерение вертикальных перемещений проводилось в течении 2,5 лет. что соответствует времени полной стабилизации осадок основания. Такой период наблюдений был установлен на основании расчета времени полной стабилизации осадок основания согласно теории фильтрационной консолидации грунтов. Фактические осадки на момент завершения наблюдений достигли 90% расчетных значений.

Программа наблюдений включала несколько циклов. Первый цикл съемок -последовательный, по мере возведения дороги, который составил 20 суток. Последующие 8 циклов проводились сразу по всем реперам на всем протяжении участка. Следует отметить, что сразу же после строительства промысловая дорога была введена в эксплуатацию. Первые 10 месяцев характеризуются интенсивным развитием осадок (рис.6). Затем приращения осадок уменьшаются и через 20 месяцев, после начала строительства дороги относительная деформация не превысила 0,005, что свидетельствует о завершении процесса консолидации.

Значения расчетной и фактической осадки через 10 и 20 месяцев

01* 0,51 1 1 1,5 | 2-1 2,5

3 к

3,5 "

ШК » №

\

* ч-И

' а

ш

-БЮрасч

- ЭЮфакт -520расч

- БгОфакт

Рис. 6. Осадка основания.

По вертикали отложены значения расчетной и фактической осадки через 10 и 20 месяцев, м. По горизонтали номера пикетов, установленных через 200 м

В результате мониторинга на всем протяжении участка с биопозитивной конструкцией не выявлено местных разрушений, это подтверждает правильность теории расчетов биопозитивной конструкции, грунтовая дорога находится в устойчивом состоянии на всем наблюдаемом участке, при этом нет необходимости в проведении ремонтных работ.

В соответствии с разработанной методикой экологической оценки вариантов конструкций количественные значения критериев «дерева результатов» были определены на основе мониторинга и строительных организаций.

Для определения коэффициентов весомости критериев и показателей, не имеющих количественных оценок, был проведен экспертный опрос. Группы экспертов были составлены по правилу предпочтений. Опрос экспертов-специалистов независимо друг от друга, обеспечивает достоверность и сопоставимость результатов. Группа экспертов состояла из 21 неаффилированного специалиста, ее численность соответствуют требованиям методов экспертных оценок. В число экспертов были включены специалисты в области экологии («экологи»), специалисты в области проектирования грунтовых дорог («проектировщики»), а также специалисты со стороны заказчиков («заказчики»). Для экологических оценок были

определены три варианта конструкций строительства грунтовой дороги: «вытор-фовка», «лежневой настил» и «биопозитивная конструкция».

Данные результатов экологической оценки природно-технической системы «грунтовая дорога» для трех вариантов конструкции приведены в таблице 3.

Таблица 3 Экологическая оценка.

Группы Экологическая оценка (от 0 до 1)

1 2 3

Выторфовка Лежневой настил Биопозитивная конструкция

«Экологи» 0,89 0,82 0,53

«Проектировщики» 0,84 0,7 0,52

«Заказчики» 0,81 0,74 0,54

Среднее арифметическое 0,85 0,75 0,53

Как следует из табл. 3 вариант №3 (применение биопозитивной конструкции) является наиболее предпочтительным, поскольку он получил наименьшую оценку по степени воздействия на окружающую среду.

Фактически, биопозитивная конструкция наименьшим образом влияет на окружающую среду и является наиболее экологически безопасным вариантом строительства на слабых основаниях грунтовых сооружений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1) На основе научно-обоснованного системного подхода решена задача обеспечения экологической безопасности строительства грунтовых дорог в сложных гидрогеологических условиях, предложена научно обоснованная биопозитивная конструкция, обеспечивающая минимизацию техногенного воздействия ПТС «грунтовая дорога» на окружающую среду.

2) Определены критерии, разработана методика и алгоритм расчета экологической оценки природно-технической системы «грунтовая дорога», которые направлены на обеспечение экологической безопасности строительства линейных грунтовых сооружений в сложных гидрогеологических условиях.

3) Результаты натурного эксперимента по апробации биопозитивной конструкции грунтовых дорог в реальных гидрогеологических условиях, обосновы-

вают выполненные теоретические исследования и расширяют современные научные представления в части проектирования грунтовых сооружений.

4) Разработана методика проведения эксперимента и определен коэффициент условий работ армирующего материала конструкции грунтовой дороги в сложных гидрогеологических условиях, необходимый для разработки проектных решений биопозитивных конструкций.

5) Биопозитивная конструкция грунтовой дороги, разработанная автором, внедрена в практику проектирования и строительства грунтовых дорог в Западной Сибири компанией Салым Петролеум Девелопмент (Нидерланды). Результаты исследования использованы при разработке стандарта организации ООО «ВЗТМ» (Волжский завод текстильных материалов) СТО 80193846-007-2012 «Рекомендации по применению биопозитивных конструкций для дорожных насыпей в сложных гидрогеологических условиях».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Чижиков И. А. Использование многофакторного анализа для оценки экологической безопасности строительства нефтегазопромысловых дорог / И. А.Чижиков, Е. В. Щербина // Экология урбанизированных территорий. 2010. № 3. - С. 96 - 100.

2. Чижиков И.А. Применение геосинтетических материалов (геотканей) для обеспечения экологической безопасности строительства нефтегазопромысловых дорог / И. А.Чижиков, П. А. Слепнев // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 1; URL: www.science-education.ru/101-5346 (дата обращения: 08.02.2012).

3. Чижиков И.А. Обеспечение экологической безопасности строительства нефтегазопромысловых дорог в условиях Западной Сибири / И. А.Чижиков, Е. В. Щербина// Вестник МГСУ. 2012. №2. С. 145-151.

4. Чижиков И.А. Применение методов прикладной квалиметрии для определения экологической оценки грунтовых сооружений в сложных гидрогеологических условиях / И. А.Чижиков // Интернет-журнал «Науковедение». 2012. № 4(12) [Электронный ресурс].- М. 2012 - Ид. номер ФГУП НТЦ "Информрегистр" 0421100136008. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/sbornik3/4.pdf, свободный - Загл. с экрана.

5. Чижиков И.А. Применение биопозитивных конструкций и технологии при строительстве грунтовых сооружений в сложных гидрогеологических условиях / И. А.Чижиков // Интернет-журнал «Науковедение». 2012. № 4(12) [Электронный

ресурс].- М. 2012 - Ид. номер ФГУП НТЦ "Информрегистр" 0421100136008. -Режим доступа: http://naukovedenie.rU/sbornik4/4.pdf, свободный - Загл. с экрана.

Другие издания:

6. Чижиков И.А. Опыт возведения насыпей повышенной крутизны в зимних условиях / И. А. Чижиков, Е. В. Щербина, С. Н. Щукин // Материалы II ой международной научно-технической конференции. - Санкт-Петербург: Изд. ПГУПС 2002. С. 81-84.

7. Чижиков И.А. Использование геосинтетических материалов при строительстве дорог в Западной Сибири // Механизация строительства. — 2007. — № 8. — с. 25-27. — http://ms.enjournal.net/article/5400/

8. Чижиков И. А. Определение контактной прочности в армогрунтовых сооружениях при строительстве в стесненной городской застройке / И. А.Чижиков // - М ■ Изд.МГСУ, 2003. С. 51-56.

9. Чижиков И. А. Геосинтетические материалы в строительстве / И. А. Чижиков, К. Н. Попов // Специализированный бюллетень. Строительство. 2002. Л» 1 - С 10 -11.

10. Чижиков И. А. Эколого-экономическая эффективность устройства автомобильных дорог Западной Сибири с использованием геосинтетических материалов / И. А.Чижиков // Материалы первой международной научно-технической конференции (15-16 июня 2006 г.) - М.: МГСУ, 2006. - С. 197 - 200.

КОПИ-ЦЕНТР св.: 77 007140227 Тираж 100 г. Москва, ул. Енисейская, д. 36. тел.: 8-499-185-79-54,8-906-787-70-86 www.kopirovka.ru