автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Обоснование конструктивно-технологических параметров противофильтрационного экрана эксплуатируемых подтопленных насыпей дорог

На правах рукописи

Семашкин Константин Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОТИВОФИЛЬТРАНИОННОГО ЭКРАНА ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ПОДТОПЛЕННЫХ НАСЫПЕЙ ДОРОГ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (технические науки)

Автореферат диссертации па соискание учёной степепп кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Омск - 2013

005542608

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Шестаков Владимир Николаевич доктор технических наук, профессор

Сологаев Валерий Иванович доктор технических наук, профессор

Ефименко Владимир Николаевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобильные дороги» ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет»

Малофеев Анатолий Григорьевич кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Проектирование дорог» ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «26» декабря 2013 г. на заседании диссертационного совета Д 212.250.01 ВАК РФ при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобилыю-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5, ауд. 3124. E-mail: bobrova.tv@gmail.corn. Тел.: (3812) 72-99-79, факс: (3812) 65-07-55.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобилыю-дорожная академия (СибАДИ)».

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета „/ /

доктор технических наук, профессор ; И /I Т.В.Боброва

Цель диссертационного исследования — повышение эффективности обеспечения устойчивости подтопленных насыпей из глинистого грунта.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

• обоснована численным моделированием фильтрация через тело насыпи с ПФ экраном, его конструкция с переменной проницаемостью в трехмерной постановке; оптимизированы по стоимости его конструктивно-технологические параметры;

• исследовано изменение коэффициента фильтрации глинистых грунтов, обработанных раствором гидроксида натрия;

• апробирована на опытном участке комплексная методика георадиолокационного инженерно-геологического обследования подтопленной насыпи с последующей оценкой ее геотехнического состояния для применения упреждающих мероприятий по снижению риска ее повреждения и разрушения;

• разработаны методические рекомендации по обеспечению устойчивости откосов эксплуатируемых подтопленных дорожных насыпей из глинистых грунтов управляемым защелачиванием с технико-экономической оценкой их эффективности.

Научная новизна результатов работы заключается:

• в обосновании конструкции ПФ экрана с переменным фильтрационным сопротивлением в трехмерной постановке и оптимизацией по стоимости его конструктивно-технологических параметров;

• оценке влияния растворов гидроксида натрия с концентрацией более 1н и числа пластичности глинистых грунтов на их коэффициент фильтрации.

Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в конструктивно-технологическом подходе к проектированию ПФ экранов с переменным фильтрационным сопротивлением в трехмерной постановке. Сущность конструктивно-технологического подхода состоит в разработке конструкции ПФ экрана с оптимальными параметрами с учетом технологических возможностей применяемого способа, позволяющего достигнуть этих параметров.

Практическая значимость работы состоит:

• в разработке эффективных в технико-экономическом отношении методических рекомендаций по обеспечению устойчивости подтопленной дорожной насыпей управляемым защелачиванием;

• в ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» (СибАДИ) в учебном процессе на факультете «Автомобильные дороги и мосты»;

• в проекте на устройство ПФ экрана управляемым защелачиванием грунтов основания резервуара под нефтепродукты.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, включенных в перечень, определенных ВАК РФ

1. Семашкнн К.В. Устройство противофильтрационного экрана в эксплуатируемых подтопляемых земляных насыпях управляемым защелачивания грунта / К.В. Семашкин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета, серия «Строительство и архитектура». -2011. -№4(24). -С. 137-144.

2. Семашкнн К.В. Изменение коэффициента фильтрации глинистых грунтов после их обработки растворами ЫаОН / К.В. Семашкин, В.Н. Шестаков // Вестник СибАДИ. - 2012. - № 2 (24) - С. 73-78.

3. Семашкин К.В. Практика инженерно-геологического обследования подтопленной дорожной насыпи методом георадиолокации / К.В. Семашкин // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. - 2013. - № 30 (49) - С. 320 - 327.

Публикации в материалах конференций и других изданиях

4. Семашкин К.В. Оптимизация параметров экрана с управляемым коэффициентом фильтрации / К.В. Семашкин // Современные проблемы строительных конструкций и сооружений»: материалы международной научно-практической конференции, посвященной 20-летию Независимости Республики Казахстан, 24-25 ноября 2011 г. - Алматы, 2011. - С 242-247.

5. Семашкин К.В. Численное моделирование фильтрации воды через подтопленную насыпь дороги с противофильтрационным экраном / К.В. Семашкин // Математическое и компьютерное моделирование в решении задач строительства, техники и управления образования: материалы XV международной научно-технической конференции, декабрь 2011 г. — Пенза, 2011. - С. 171-176.

6. Семашкин К.В. Способ обеспечения прочности и устойчивости насыпи автомобильной дороги в условиях затрудненного водоотвода / К.В. Семашкин // Труды молодых ученых, аспирантов и студентов: межвузовский сборник. -Омск, 2012. - Выпуск № 9. - С. 236-240.

7. Семашкин К.В. Обеспечение устойчивости эксплуатируемой подтопленной насыпи на 39-том километре автомобильной дороги Омск — Кормиловка / К.В. Семашкин, В.Н. Шестаков, В.И. Сологаев // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. Модернизация в сфере эксплуатации, строительства и реконструкции объектов транспортной инфраструктуры: материалы международной научно-практической конференции, посвященной 200-й годовщине победы России в Отечественной войне 1812 г., 26 — 28 апреля 2012 г. -Пермь, 2012. - Том. 3. - С. 196-204.

8. Методические рекомендации по обеспечению устойчивости эксплуатируемых подтопленных насыпей из глинистых грунтов путем устройства проти-вофильтрационных экранов управляемым защелачиванием. К.В. Семашкин, В.Н. Шестаков, - Омск: СибАДИ, 2013 - 39 с.

9. Семашкин К.В. Устройство противофильтрационного экрана способом управляемого защелачивания глинистого основания резервуара под нефтепродукты / К.В. Семашкин, В.Н. Шестаков // Материалы Международного конгресса "Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации", 1 - 3 октября 2013 г. - Омск, 2013. - С. 361 - 367.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(ФГБОУ ВПО СибАДИ)

Обоснование конструктивно-технологических параметров иротивофильтрационного экрана эксплуатируемых подтопленных насыпей дорог

Специальность 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

высшего профессионального образования

Семашкин Константин Владимир

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук профессор В.Н. Шестаков

Научный консультант: доктор технических наук профессор В.И. Сологаев

Омск-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДНИЕ............................................................................... 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ, СТРУКТНАЯ СХЕМА МЕТОДИКА ИССЛЕДОВНИЯ......................................... 10

1.1. Причины подтопления эксплуатируемых дорожных

насыпей и механизм образования в них повреждения.............. 10

1.2. Методы и способы обеспечения устойчивости подтопленных глинистых насыпей в период эксплуатации..................... 14

1.3. Цели и задачи, структурная схема и методика исследования 29 ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННОГО ЭКРАНА С ОПТИМАЛЬНЫМИ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ В ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ПОДТОПЛНЕННЫХ НАСЫПЯХ ДОРОГ...... 33

2.1. Теоретические предпосылки обеспечения устойчивости подтопленных насыпей..................................................... 33

2.2. Математическое моделирование фильтрации в подтопленных насыпях дорог с противофильтрационным экраном........... 43

2.3 Конструктивно-технологические решения противофильтра-ционного экрана............................................................ 54

2.4 Оптимизация конструктивно-технологических параметров

ПФ экрана..................................................................... 63

2.5 Оценка долговечности устройства ПФ экрана управляемым защелачиванием грунта.................................................... 74

2.6 Геоэкологическая безопасность обработки глинистых грунтов раствором гидроксида натрия....................................... 75

2.7. Выводы к главе 2....................................................... 81

ГЛАВА 3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ЗАЩЕЛА-ЧИВАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ НА ИХ ВОДОПРОНИЦАМОСТЬ. 83 3.1. Предпосылки снижение водопроницаемости глинистых

грунтов защелачиванием................................................... 83

3.2. Характеристика материалов и методика исследования........ 87

3.3. Влияние концентрации гидроксида натрия на коэффициент фильтрации глинистого грунта........................................... 90

3.4. Выводы к главе 3....................................................... 93

ГЛАВА 4. ОПЫТНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО ФРАГМЕНТА ПРОТИВО-ФИЛЬТРАЦИОННОГО ЭКРАНА И РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ ДОСТОВЕРНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПОЛОЖЕНИЙ........................................................................................................................................................94

4.1. Обследование поврежденного подтоплением участка дорожной насыпи на 39-том км автодороги Омск - Кормиловка. 94

4.2. Обоснование конструктивных параметров противофильт-рационного э крана.......................................................... 102

4.3. Технология устройства фрагмента противофильтрационно-

го экрана.................................................................................. 106

4.4. Результаты обследование опытного строительства фрагмента противофильтрационного экрана................................ 109

4.5. Выводы к главе 4...................................................... 114

ГЛАВА 5. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ С ОЦЕНКОЙ ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ... 115

5.1. Основные положения методических рекомендаций по обеспечению устойчивости эксплуатируемых дорожных

насыпей из глинистых грунтов управляемым защелачиванием... 115

5.2. Технико-экономическая эффективность обоснованного способа обеспечения устойчивости подтопленных насыпей...... 120

5.3. Выводы к главе 5...................................................... 121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................ 122

Библиографический список......................................................... 123

Приложения:

Приложение А. Акт о передачи методических рекомендаций

для использования в учебном процессе................................... 137

Приложение Б. Акт о передаче методических рекомендаций в

ОАО «Омский Союздорнии»............................................. 138

Приложение В. Программа инженерно-геологического обследования опытного участка фрагмента ПФ экрана.................... 139

Приложение Г. Техническое решение устройства ПФ экрана в насыпи на 39 км автомобильной дороги Омск-

Кормиловка................................................................... 146

Приложение Д. Смета на устройство ПФ экрана дорожной насыпи на 39-км автомобильной дороги Омск-Кормиловка.......... 150

Приложение Е. Акт устройства фрагмента ПФ экрана на 39 км

автомобильной дороги Омск-Кормиловка............................ 153

Приложение Ж. Паспорта стандартного химического анализа воды после строительства опытного участка фрагмента ПФ экрана............................................................................ 154

Приложение И. Категории технического состояния дорожных насыпей........................................................................ 157

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационной работы заключается в практики в упреждающем мероприятии, направленному на обеспечение устойчивости эксплуатируемой подтопленной дорожной насыпи без ограничения движения автотранспорта по поврежденному участку дороги.

Дорожная насыпь может быть подвержена подтоплению по причине изменения гидрологических и гидрогеологических условий прилегающей территории.

Дефектность строительства дорожных насыпей достигает 10 %, её природа может быть конструктивной, производственной, технологической и эксплуатационной. Дефекты, оказывающие влияние на показатели устойчивости эксплуатируемой насыпи, создают риск развития ее повреждений.

Для оценки эксплуатационной надежности подтопленной дорожной насыпи необходима ее диагностика, позволяющая применять те или иные упреждающие мероприятия, снижающие риск развития повреждения и обрушения.

Одним из упреждающих мероприятий, обеспечивающих устойчивость эксплуатируемой подтопленной дорожной насыпи, находящейся в ограниченно работоспособном состоянии является противофильтрационный экран (ПФ).

Обоснование конструктивно-технологических параметров ПФ экрана эксплуатируемых подтопленных дорожных насыпей является актуальным.

Степень разработанности. Современные способы снижения фильтрации в теле дорожной насыпи либо не применимы для глинистого грунта, либо трудновыполнимы в условиях эксплуатации подтопленной насыпи без ограничения движения автотранспорта. Устройство ПФ экрана современными способами, как правило, не позволяет выполнить работы в период эксплуатации дороги из-за возникновения риска обрушения обводненной части насы-

пи. Устройство водоупорной одежды со стороны подтопленного откоса возможно в зимнее время.

Основная идея работы заключается в обосновании оптимальных конструктивно-технологических параметров конструкции ПФ экрана в трехмерной постановке, обеспечивающего устойчивость эксплуатируемых подтопленных насыпей дорог. Устройство экрана, в отличие от известных способов, эффективно снизит фильтрацию воды через насыпи и повысит их устойчивость. При этом переменная проницаемость ПФ экрана при минимальной стоимости его устройства обеспечит равномерный расход воды через тело насыпи.

Объектом исследования является подтопленная насыпь дороги из глинистого грунта с ПФ экраном в процессе ее эксплуатации на водоупорном основании.

Предмет исследования - конструктивно-технологические параметры ПФ экрана, обеспечивающие с минимальной стоимостью устойчивость эксплуатируемой подтопленной насыпи.

Цель диссертационного исследования - повышение эффективности обеспечения устойчивости подтопленных насыпей из глинистого грунта.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

• обосновать численным моделированием фильтрации через тело насыпи с ПФ экраном, его конструкцию с переменной проницаемостью в трехмерной постановке; оптимизировать по стоимости его конструктивно-технологические параметры;

• исследовать изменения коэффициента фильтрации глинистых грунтов, обработанных раствором гидроксида натрия;

• апробировать на опытном участке комплексную методику георадиолокационного инженерно-геологического обследования подтопленной насыпи с последующей оценкой ее геотехнического состояния для применения упреждающих мероприятий по снижению риска ее повреждения и разрушения;

• разработать методические рекомендации по обеспечению устойчивости откосов эксплуатируемых подтопленных дорожных насыпей из глинистых грунтов управляемым защелачиванием с технико-экономической оценкой их эффективности.

Научная новизна результатов работы заключается:

• в обосновании конструкции ПФ экрана с переменным фильтрационным сопротивлением в трехмерной постановке и оптимизацией по стоимости его конструктивно-технологических параметров;

• оценке влияния растворов гидроксида натрия с концентрацией более 1н и числа пластичности глинистых грунтов на их коэффициент фильтрации.

Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в конструктивно-технологическом подходе к проектированию ПФ экранов с переменным фильтрационным сопротивлением в трехмерной постановке. Сущность конструктивно-технологического подхода состоит в разработке конструкции ПФ экрана с оптимальными параметрами с учетом технологических возможностей применяемого способа, позволяющего достигнуть эти параметры.

Практическая значимость работы состоит:

• разработке эффективных в технико-экономическом отношении методических рекомендаций по обеспечению устойчивости подтопленной дорожной насыпей управляемым защелачиванием;

• в ФГБОУ ВПО «Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии» (СибАДИ) в учебном процессе на факультете «Автомобильные дороги и мосты».

• в проекте на устройство ПФ экрана управляемым защелачиванием грунтов основания резервуара под нефтепродукты;

Методология и методы исследования: теории водно-теплового режима и механики земляного полотна; физико-химическое влияние растворов

7

гидроксида натрия высоких концентраций (н > 1 н) на коэффициент фильтрации глинистого грунта, основы численного моделирования фильтрации в капиллярно-пористых средах и решения оптимизационных задач, теории вероятностей и математической статистики, планирования эксперимента.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлена: согласованностью результатов лабораторных и экспериментальных исследований, математического моделирования и натурных наблюдений; использованием сертифицированного георадарного оборудования и лицензионного программного обеспечения для обработки радарограмм; достижением допустимой погрешности численных фильтрационных расчетов.

Положения, выносимые на защиту:

• конструкция ПФ экрана с переменным фильтрационным сопротивлением в трехмерной постановке в теле дорожной насыпи, обеспечивающая ее эксплуатационную надежность и минимальную стоимость;

• закономерность снижения коэффициента фильтрации глинистых грунтов с числом пластичности от 5 до 21, обработанных раствором гидроксида натрия ЫаОН с концентрацией от 2,5 до 7,5 н.

Личный вклад автора состоит: в численном моделировании фильтрации в дорожной насыпи с ПФ экраном в трехмерной постановке; исследовании влияния растворов гидроксида натрия на коэффициент фильтрации глинистых грунтов; участии в опытных работах по устройству фрагмента ПФ экрана; методике обоснования оптимизации конструктивно-технологических параметров ПФ экрана и разработке методических рекомендаций по обеспечению устойчивости эксплуатируемых подтопленных дорожных насыпей; формулировании цели и задач исследования и заключения.

Апробация работы проведена на следующих конференциях:

XV международной научно-технической конференции «Математическое и

компьютерное моделирование в решении задач строительства, техники,

управления и образования» (г. Пенза, декабрь 2011 г.); Международной на-

8

учно-практической конференции «Современные проблемы строительных конструкций и сооружений», посвященной 20-летию Независимости Республики Казахстан (г. Алматы, 24 - 25 ноября 2011 г.); Научно-практической конференции, посвященной Дню Российской науки (г. Омск, 8 февраля 2012 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 200-й годовщине победы России в Отечественной войне 1812 г., «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (г. Пермь, 26-28 апреля 2012 г.); Международном конгрессе "Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации" (г. Омск, 1-3 октября 2013 г.).

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 9 публикациях, в том числе 3 - в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и 8 приложений. Результаты исследования изложены на 136 страницах основного текста, включающего 53 рисунка, 26 таблиц, библиографию из 147 наименований; объем приложения - 21 страницы.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ, СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Причины подтопления эксплуатируемых дорожных насыпей и механизм развития в них повреждения

Земляное полотно, как важнейший элемент автомобильной дороги, по прочности, устойчивости и состоянию должно обеспечивать безопасное и плавное движение автомобильного транспорта. Обеспечение надежной устойчивости и прочности во все времена года, вне зависимости от сезонных неблагоприятных условий погоды, свойств отдельных грунтов, климатических и гидрогеологических условий различных географических зон, а так же безопасность и непрерывности движения транспорта есть основное эксплуатационное требование к земляному полотну [35, 36, 37, 39, 41, 44, 55, 60, 72, 92, 124, 128].

Земляное полотно автомобильной дороги является геотехнической (техно-природной) системой, которая, находясь во взаимодействии с геологической средой, воспринимает природные воздействия и транспортные нагрузки. В процессе жизненного цикла земляного полотна в нем возникают повреждения, снижающие его эксплуатационную надежность [10, 41, 51, 55, 60, 126, 131, 132].

Подтопление дорожной насыпи создает риск возникновения, и развития повреждений и как следствие потери устойчивости ее отдельных элементов. Опасность критического подтопления дорожной насыпи обусловливается рядом причин в процессе их жизненного цикла. В период изысканий - это не-доизученность прилегающей территории в геологическом и гидрогеологическом отношениях; проектирования - недоучет возможного влияния насыпи на прилегающую территорию; строительства - дефекты возведения насыпи; эксплуатации - отступления от правил технической эксплуатации дороги и экс-

тремальные природно-климатические воздействия и транспортные нагрузки [129, 130, 131].

Дорожная насыпь может быть подвержена критическому подтоплению в результате изменения гидрологических и гидрогеологических условий прилегающей территории; в частности: изменения стока поверхностных вод в результате техногенной деятельности; изменения направления движения грунтовых вод в результате устройства подземных коммуникаций и сооружений; возведения дорожной насыпи без водоотводных сооружений, в местах потенциально подверженных подтоплению; затрудненности устройства эффективного поверхностного водоотвода на равнинных территориях с малыми продольным и поперечным уклонами; воздействия природно-опасных явлений, связанных с таянием снега и обильными дождями.

К подтопленным можно отнести насыпи: расположенные на подходах к инженерным сооружениям (мосты и трубы); периодические затопляемые и переливные; пролегающие в условиях третьего типа местности; пересекающие искусственные или естественные водные преграды; расположенные в прибрежной полосе водоемов.

Предпосылки появления повреждений насыпи в результате подтопления:

• изменение физико-механических свойств грунта насыпи;

• гидродинамическое воздействие воды.

Рассмотрим подробнее механизм появления повреждений в подтопленной дорожной насыпи. По мере обводнения грунта изменяются его физико-механические свойства. В глинистых грунтах при увеличении обводнения несущая способность и устойчивость уменьшается, частицы грунта приобретают подвижность. Плотностью и влажностью грунта обуславливается его консистенция, от которой зависит устойчивость и прочность грунта [60, 124, 125].

Влажность связного грунта оказывает большое влияние на силу сцепления между частицами грунта. На усилие сцепления и на увеличение его устойчивости влияет поверхностное натяжение водных пленок. Но при значительном

обводнении связного грунта происх�