автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Разработка метода расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог

На правах рукописи

г 7 АВГ 2009

КИРИЛЛОВ Федор Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ДРЕНИРУЮЩЕГО СЛОЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2009

003475727

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Афоничев Дмитрий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Бурмистрова Ольга Николаевна

доктор технических наук Драпалюк Михаил Валентинович

Ведущая организация

Московский государственный университет леса

Защита диссертации состоится 25 сентября 2009 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 в Воронежской государственной лесотехнической академии (394613, г. Воронеж, улица Тимирязева, 8, зал заседания -аудитория 240).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан 20 августа 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Скрыпников А.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Современные методы ведения лесного хозяйства и организации лесопромышленного производства требуют принципиально новых подходов к проектированию лесных (лесовозных и лесохозяйственных) автомобильных дорог, предназначенных не только для вывозки древесины, но и для транспортного обеспечения процессов лесопользования, возобновления и охраны лесных ресурсов. Существующие лесные автомобильные дороги на большей своей протяженности характеризуются низким качеством покрытия, что требует при их реконструкции, капитальном ремонте, а также при новом строительстве уделить особое внимание усилению и повышению качества дорожных одежд.

Разнообразные причины изменения состояния рабочего слоя земляного полотна лесовозных автомобильных дорог, приводят к недопустимым деформациям дорожных одежд, следствием чего являются разрушения дорожных покрытий. Повышение интенсивности движения на лесовозных автомобильных дорогах и грузоподъемности транспортных средств, способствуют внешнему проявлению участков с недостаточной прочностью. В результате снижается безопасность движения и возрастает себестоимость вывозки древесины.

Многолетний опыт эксплуатации лесовозных автомобильных дорог показывает, что одной из основных причин преждевременного разрушения дорожных покрытий является переувлажнение верхней части рабочего слоя земляного полотна из-за неудовлетворительного состояния дренирующих и водоотводных систем. В основаниях дорожных одежд в период оттаивания рабочего слоя земляного полотна накапливается свободная вода, которая отжимается из грунта при интенсивном движении по дороге лесовозных автопоездов и снижает прочность дорожной конструкции в среднем на 20...30 %. Концентрация влаги в зимний период приводит к неравномерным лучениям из-за образования ледяных линз и прослоек, что способствует образованию трещин на дорожных покрытиях. Рекомендуемые для устройства дренирующих слоев дорожных одежд материалы, обеспечивающие эффективное осушение оснований, дорогостоящие, а поэтому необходимо изучить закономерности накопления и перемещения свободной воды в основаниях дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог, устраиваемых из местных дешевых материалов, что позволит разработать адекватный метод расчета таких дренирующих слоев.

Проблема разработки метода расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог актуальна для лесного комплекса, так как ее решение обеспечит повышение транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог, а следовательно и снижение затрат на вывозку древесины. Диссертационная работа выполнена в соответствии с направлением научно-исследовательской работы кафедры транспорта леса и инженерной геодезии Воронежской государственной лесотехнической академии: «Разработка ресурсосберегающих и экологически перспективных технологий лесовозного автомобильного транспорта» (№ гос. регистрации 01.200103889) в 2002-2010 годах.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог на стадии проектирования путем разработки метода расчета дренирующего слоя дорожных одежд на основе моделирования перемещения свободной воды в их основаниях под действием колесной нагрузки.

Объектами исследований являются процессы накопления и перемещения

свободной воды в основаниях дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог под воздействием колесной нагрузки; материалы, используемые для устройства дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог.

Методы исследований. Исследования проводились методами: теории фильтрации, строительной механики, математической статистики, имитационного моделирования, испытаний дорожно-строительных материалов.

Значимость для теории. Полученные: уравнение неустановившейся фильтрации воды в рабочем слое земляного полотна под действием колесной нагрузки, учитывающее сложное напряженно-деформированное состояние грунта; аналитические зависимости величины остаточного порового давления от величины и времени действия колесной нагрузки, типа конструкции дорожной одежды и деформатив-ных свойств грунта; модель движения воды в рабочем слое земляного полотна с учетом основных параметров грунтовой среды уточняют расчет требуемой толщины дренирующего слоя дорожных одежд.

Научная новизна:

- разработана математическая модель движения воды в упруго-пластичной среде и ее поступления в дренирующий слой дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог из рабочего слоя земляного полотна, отличающаяся тем, что учитывает действие внешней динамической нагрузки от лесовозных автопоездов и ее распределения по ширине проезжей части;

- предложена математическая модель неустановившейся фильтрации воды в дренирующем слое, отличающиеся учетом движения в капиллярной зоне при наличии инфильтрации сверху от атмосферных осадков и притока снизу от воздействия колесной нагрузки лесовозных транспортных средств;

- установлены закономерности поступления свободной воды в дренирующий слой дорожной одежды в зависимости от величины остаточного порового давления, отличающиеся учетом времени действия колесной нагрузки;

- получена зависимость, описывающая динамику изменения величины избыточного порового давления в условиях динамического нагружения, отличающаяся удовлетворительным соответствием реальному процессу фильтрации воды в переувлажненном рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог.

Научные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель движения воды в упруго-пластичной среде и ее поступления в дренирующий слой дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог из рабочего слоя земляного полотна, позволяющая определить приток воды в основание дорожной одежды в зависимости от интенсивности движения лесовозных автопоездов;

- математическая модель неустановившейся фильтрации воды в дренирующем слое, которая позволяет обосновать требования к материалу и размерам дренирующего слоя;

- закономерности движения воды в рабочем слое земляного полотна при многократном нагружении, позволяющие уточнить метод расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог;

- принципы проектирования дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог, позволяющие обеспечивать соответствие проектных решений условиям эксплуатации.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена экспериментальными исследованиями, внедрением при проектирова-

нии автомобильных лесовозных дорог в Калужской и Воронежской областях, применением современных методов имитационного моделирования, компьютерной обработки информации и планирования эксперимента.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные модели, принципы и положения расчета дренирующего слоя позволяют на стадии проектирования заложить требуемый уровень надёжности лесовозных автомобильных дорог для конкретных условий эксплуатации, а также обосновать параметры дренирующего слоя дорожных одежд, выполняемого из дешевых местных мелких песков и тем самым снизить затраты на строительство лесовозных автомобильных дорог.

Личное участие автора заключается в определении цели и задач исследований, в разработке математических моделей, планировании и проведении экспериментов, анализе результатов работы.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на юбилейной конференции молодых ученых, посвященной 70-летию ВГЛТА (Воронеж, 2000г.); на международных научно-практических конференциях «Проблемы функционирования, стабилизации и устойчивости развития предприятий лесопромышленного комплекса в новом столетии» (Воронеж, 2004 г.); «Технологии, машины и производство лесного комплекса будущего» (Воронеж, 2004 г.); «Наука и образование лесного комплекса» (Воронеж, 2005 г.); на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГЛТА в 2002-2009 годах.

Результаты исследований внедрены: в Центре дорожно-мостового проектирования «Магистраль» (г. Воронеж), МУП «Горкомхоз» администрации г. Воронежа, ООО «СОЮЗАРХПРОЕКТ» (г. Воронеж) и использованы при разработке проектов автомобильных дорог в Воронежской и Калужской областях.

Публикации. Соискателем по результатам диссертации опубликовано 14 научных статей, в том числе 2 статьи в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ и 5 статей без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 86 наименований, 6 приложений. Работа изложена на 161 страницах машинописного текста и включает 21 таблицу и 41 рисунок.

Основное содержание работы

Введение. Обоснована актуальность темы, сформулированы: цель, объекты и методы исследований, показаны: научная новизна, практическая ценность, результаты внедрения, структура и объем диссертационной работы.

1 Состояние проблемы регулирования водно-теплового режима рабочего слоя земляного полотна лесовозных автомобильных дорог. Многолетний опыт эксплуатации лесовозных автомобильных дорог показывает, что в ранневесенний период при оттаивании земляного полотна появляется избыток влаги, которая поступает в основания дорожных одежд вследствие отжатая из водонасыщенного грунта рабочего слоя при воздействии колесных нагрузок от подвижного состава. Во II дорожно-климатической зоне (ДКЗ), а также на мокрых участках (3 схема увлажнения) в III и IV ДКЗ основным источником увлажнения рабочего слоя земляного полотна весной является поступление свободной воды снизу. Этому способствуют динамические нагрузки и выдавливание воды вследствие расширения пузырьков

защемленного воздуха при оттаивании грунтов.

В результате анализа литературных источников, посвященных проблемам осушения оснований дорожных одежд, регулирования водно-теплового режима земляного полотна, исследованиям фильтрационных свойств грунтов и дорожно-строительных материалов установлено следующее.

Наиболее полно исследованы процессы увлажнения рабочего слоя земляного полотна в различных климатических и геофизических условиях, разработаны методы борьбы с переувлажнением грунтов путем применения водоотводных систем и систем глубинного дренажа, но не разработан метод определения избытка свободной воды в верхней части рабочего слоя земляного полотна, позволяющий регулировать водно-тепловой режим земляного полотна. Определение параметров дренирующего слоя в настоящее время производится только в зависимости от глубины промерзания или зоны распространения напряжений от действия внешней нагрузки, без учета гидравлических свойств грунтов, что вносит в расчеты существенную погрешность. Приоритетным условием применения дренирующего слоя дорожных одежд является влажность грунта рабочего слоя земляного полотна, формируемая парообразной влагой и свободной водой, однако метода определения условий, при которых происходит отжатие воды из оттаявшего грунта в дренирующий слой не разработано. Методы расчета дренирующих слоев основаны на недостаточно обоснованных представлениях о движении воды в них, что не позволяет предупредить заиливание фильтрующего материала при эксплуатации и произвести подбор гранулометрического состава и свойств материала дренирующего слоя.

Существенный вклад в изучение процессов водно-теплового режима земляного полотна, фильтрации воды в грунтах, дренирования оснований дорожных одежд, способствовавшего развитию современных методов расчета дорожных конструкций и строительства лесовозных дорог в неблагоприятных гидрогеологических условиях, внесли ученые: JI.T. Абрамов, C.JI. Бастманов, В.А. Борщевский, И.Н. Гольнд-штейн, И.А. Золотарь, В.К. Курьянов, A.B. Лыков, Н.В. Орнатский, H.A. Пузаков, Э.О. Салминен, В.М. Сиденко, М.М. Сумгин, А.Я. Тулаев, H.A. Цитович.

Выявленные недостатки современного представления о закономерностях накопления и движения свободной воды в дренирующих слоях дорожных одежд позволили сформулировать цель работы и определить задачи исследований:

1. Изучить причины и закономерности поступления воды в дренирующий слой дорожной одежды из рабочего слоя земляного полотна при движении по дороге лесовозных автопоездов.

2. Разработать математическую модель движения свободной воды в рабочем слое земляного полотна и дренирующем слое дорожной одежды под действием нагрузок от лесовозных автопоездов с учетом напряженно-деформированного состояния компонентов грунта.

3. Разработать и апробировать метод расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог с аналитическим обоснованием активной зоны рабочего слоя земляного полотна.

4. Обосновать требования к гранулометрическому составу и свойствам материалов дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог.

2 Моделирование водного режима рабочего слоя земляного полотна лесовозных автомобильных дорог при движении лесовозных автопоездов. Рассмотрен процесс движения воды в дренирующем слое дорожных одежд лесовозных ав-

томобильных дорог под воздействием колесной нагрузки от лесовозных автопоездов. При движении лесовозных автопоездов в дорожной конструкции возникают различные по характеру и величине напряжения и деформации, вызывающие, в частности, изменение объема пор в грунте рабочего слоя земляного полотна. Под влиянием динамической нагрузки в воде возникают мгновенные давления, которые стремятся отжать воду в направлении зон с меньшими напряжениями, а возникающие напряжения в грунте способствуют переходу части воды в свободную, что усиливает процесс ее отжатия то есть, фильтрация воды в основаниях дорожных одежд - происходит не только за счет гравитационных сил, но и в результате воздействия внешней нагрузки.

Исследуя, процесс изменения влажности и пористости грунта рабочего слоя земляного полотна необходимо получить уравнение фильтрации воды в условиях динамического нагружения с учетом исходного напряженно-деформированного состояния. Основными допущениями при разработке модели движения воды в рабочем слое приняты следующие положения: расчетная модель грунта принимается в виде трехфазной среды, состоящей из твердой, жидкой (несжимаемой) и газообраз! ной фаз; скелет грунта и вода считаются несжимаемыми; защемленные пузырьки 1 воздуха перемещаются вместе со скелетом грунта, а поэтому скорости движения I твердой и газообразной фаз можно принять одинаковыми; сжимаемость и растворимость в жидкости защемленных пузырьков газа описываются законами Бойля-Мориотта и Генри; движение воды по порам фунта подчиняется законам фильтрации Дарси-Герсеванова; мерзлый грунт водонепроницаемый и несжимаемый; грунт деформируется только в вертикальном направлении без бокового расширения.

Принята расчетная область грунта рабочего слоя (рисунок 1), расположенная между водопроницаемым дренирующим слоем сверху и водонепроницаемым слоем мерзлого грунта снизу. Давление от колес лесовозного автопоезда передается на оттаявший грунт через конструкцию покрытия в виде равномерно распределенной на-

1 - дорожная одежда; 2 - дренирующий слой; 3 - оттаявшая часть земляного полотна; 4 - водонепроницаемый слой

мерзлого грунта Рисунок 1 - Расчетная схема движения воды в частично оттаявшем рабочем слое земляного полотна лесовозной автодороги

Получена зависимость, которая представляет собой уравнение фильтрации воды в верхней части рабочего слоя на границе с дренирующим слоем дорожной одежды под воздействием нагрузки от лесовозных автопоездов с учетом сжимаемости

грузки на некотором ограниченном участке.

газосодержащеи поровои жидкости

дР„ 81

(1

7«{т о + ЧЛ*) [ дг2

дгР„ дхг

А Р.

С =

о-

(1)

{«О +°„есг) А' Г,„(™о + а,А„)" Ц+ЧА„] где еср - среднее значение начального коэффициента пористости на всю зону сжатия; ю0- коэффициент сжимаемости грунта, см2/кгс; а„- коэффициент сжимаемости поровой жидкости; /ц^— коэффициент фильтрации грунта, см/сут; у„ - объемный вес

воды, кгс/см3; - скорость изменения внешнего давления, передаваемого на ос-

д /

нование, (кгс/см2)/с; - коэффициент консолидации, см2/с; /? — коэффициент поро-вого давления.

Направление движения воды в грунте во многом определяется конструктивными особенностями покрытия. Если покрытие является водонепроницаемым, то при оттаивании грунта весной переувлажненный рабочий слой земляного полотна будет заключен между двумя водонепроницаемыми слоями: с одной стороны покрытие, с другой - мерзлая подошва. Очевидно, что в данном случае вертикальная составляющая фильтрации будет отсутствовать, движение воды в оттаявшем слое будет происходить только в горизонтальной плоскости.

Внешняя нагрузка при проходе лесовозных автопоездов по покрытию прикладывается не по всей поверхности проезжей части, а лишь по некоторой ее части, определяемой размерами чаши прогиба покрытия (рисунок 2). При этом закономерность перераспределения внешнего давления между давлением в скелете грунта и поровой воде описывается уравнением

4С, М

} +

(л-

-ег/с |

' Я + х

1 Я + х

(2)

2с,,/ \j4cj ) АV 4с„/ Когда нагрузка на переувлажненный рабочий слой передается через вышележащий дренирующий слой (рисунок 3), по которому вода, поступающая из рабочего слоя, отводится за пределы покрытия, движение воды происходит только вверх, так как в пределах зоны действия нагрузки горизонтальной фильтрацией молено пренебречь

та АП

{™0 + а„еср) М

г +

К [т0 + а„ е ср г2

КФ

ег/с

к{т 0+а"есР)

.(3)

\г{то + кеср)' схр\ к{то + а„есР)2

0 + ^К

В результате воздействия динамической нагрузки на покрытие в переувлажненном рабочем слое земляного полотна возникает движение воды. На условия движения воды в первую очередь оказывает влияние водопроницаемость грунта, его де-

формируемость под нагрузкой и скорость приложения нагрузки па покрытие. В зависимости от конструкции дорожной одежды фильтрация воды происходит по двум принципиально разным схемам: горизонтальной и вертикальной.

Интенсивность поступления воды в дренирующий слой в основном обусловливается характером деформирования рабочего слоя земляного полотна при проходе подвижной нагрузки по покрытию. Величина остаточных деформаций может увеличиваться в результате процессов промерзания и оттаивания грунтов при избыточном увлажнении. Кроме того, за счет зимнего влагонакопления и льдообразования происходит также и разуплотнение грунтов земляного полотна. Поэтому такие грунты имеют деформации в 6... 10 раз больше по сравнению с незамерзшими.

УШХХЖШ2УЖ

Рисунок 2 - Схема распределения давления в поровой воде при водонепроницаемой конструкции покрытия

Рисунок 3 - Схема распределения

давления в поровой воде при наличии в дорожной одежде дренирующего слоя

Для описания процесса поступления воды в дренирующий слой для элементарного столба грунта можно заменить подвижную нагрузку, действующую на грунтовый массив, неподвижной, но изменяющейся во времени по кусочно-линейному закону с постоянной интенсивностью на стадии нагрузки и разгрузки (рисунок 4).

Изменение напряженно-деформированного состояния грунта рабочего слоя при действии нагрузки характеризуется следующими уравнениями: 1. При возрастании нагрузки в период 0 < I < Т,

дРк д!

Ф

д Р„.

т„

ДР..

«0) +

[тт+а„еср

) "

при

Р,Дг.0) = 0 Р„(0,1) = 0 '

(4)

2.Снижение нагрузки в период Г, <1 <Т2

дР.

а2.?..,

т, у

--при

I Л1 Д.<0,/) = 0

Ы к\т02 + аАр) дг2 3. При возрастании нагрузки в период 0 < / < Т, решение (4) по глубине будет

(5)

а - величины действующей нагрузки; б - интенсивность воздействия нагрузки; е- величины порового давления в воде, заполняющей поры грунта при уве личении и снижении нагрузки Рисунок 4 - Закономерности изменения параметров взаимодействий при нагружении грунтового массива Наличие остаточных деформаций и сохранение остаточного порового давления в воде, заполняющей поры грунта, создает условия для поступления воды в дренирующий слой по мере спада давления, и после прекращения воздействия внешней нагрузки. При многократном приложении нагрузки, в соответствии с принятой расЧетной моделью, в грунте происходят только пластические деформации. Если в мо-

АЯ,

мент времени Опроисходит воздействие нагрузки со скоростью растание порового давления в грунте определяется выражением

то воз-

_3

/+-

2 с„.

ег/с

+ г, /——ехр

4 с.Л

(7)

В момент времени 7; < / < Г2 после прекращения действия нагрузки в грунте проявляются упругие деформации. Величина изменения порового давления определяется зависимостью

1-\1 + ~\еф

г

27с7

+ 2л}—ехр\ | +

I 4с ,

+ 2.

гл/?

Если в период времени Т2<1<Т3 происходит новое воздействие нагрузки со ДР.,- ДР.,

скоростью

к? > к!

~Д1 Д1

то вновь происходит возрастание порового давления

Л,. (*>')=/?

ДР.

Дг

, - | , + __\еф

2хс„,1

+ \1-Т, + ~\ег/с

Д}\.

А.(

,-Т1-\1-Тг+~-\erfc

(1-тЛ

+ 2.1--—ерх

4е» ('

I 4с„ О -Л)

(9)

х ел-р

При прекращении в момент времени 7\ воздействия нагрузки, изменение порового давления грунта происходит по закону

/ -

I +-\erfc

2с 1

+ 2 I—— ехр\ - —— | + с„,я" ^ 4 с ^

+ /-7| + — \erfc

2 с„

+ Р-^-ерт

с... я

./А л/

2с„.

/

2 ^2((-Т2)

(10)

хехр

__

I 4с>2 (г - Т2)

+ |/-Гэ +

х еду

2с„,

ег/с

Предложенная модель движения воды в рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог под воздействием внешней нагрузки учитывает основные параметры грунтовой среды (напряженное состояние, объем, физические свойства), описывающие поведение грунта, а также позволяет определить и провести анализ их изменения в процессе воздействия циклической нагрузки от лесовозных автопоездов.

Основные положения предложенной динамической модели базируются на том, что весь интервал фильтрационной консолидации 0 < г < гф разбивается на N интервалов, каждый из которых соответствует одному циклу «нагружения - разгруз-

ки». В пределах одного интервала <м < г < /, значения деформативных параметров считаются постоянными. Предложенная модель универсальна и описывает в одномерной постановке любые циклические воздействия на рабочий слой земляного полотна.

3 Исследование закономерностей движения воды в рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог при многократном нагружении.

Фильтрационные характеристики водонасыщенных глинистых грунтов определяются испытанием грунтов в компрессионных приборах и их различных модернизациях (компрессионно-фильтрационные и др.). Преимуществом компрессионных испытаний являются: возможность создания различных граничных условий загружения образцов фунта, уменьшения погрешностей при отборе образцов грунта текучей и текуче-пластичной консистенции из монолита или зарядного прибора, относительная простота конструкции и широкая распространенность компрессионных исследований глинистых грунтов.

В программу исследований входило решение следующих задач: проведение компрессионных испытаний с вертикальной фильтрацией воды в условиях статического, кратковременного многократного (циклического) нагружения заданной частоты, при сохранении заданного номинального давления; установление характера изменения порового давления по глубине образца переувлажненного грунта и во времени в условиях переменного воздействия нагрузки; выявление характера изменения осадки водонасыщенного грунта; прогнозирование количества отжимаемой воды из переувлажненного грунта под действием циклической нагрузки; определение влияния сжимаемости защемленного и растворенного газа на процесс консолидации переувлажненного грунта (путем испытания образцов с различным коэффициентом водонасыщения); определение проницаемости переувлажненных грунтов при различных ступенях нагружения. Закономерности поведения переувлажненного в результате оттаивания грунта определяются сложным комплексом факторов, главными из которых являются: текстура, структура, влажность, путь нагружения и величина нагрузки. Для выявления устойчивых закономерностей поведения грунта, точного и качественного измерения напряжения и деформации необходимо проведение исследований на малых образцах, обоснованных с позиции теории подобия.

Основной целью экспериментальных исследований являлась проверка адекватности полученной математической модели, то есть установление сходимости теоретических кривых изменения во времени избыточного порового давления и количества отжимаемой воды с данными лабораторных испытаний. Теоретические значения количества отжавшейся воды, определенные при реализации разработанной математической модели, несколько превышают их экспериментальные значения: для влажности IV = 0,8^,. разница составляет 14,1 %, а для влажности ¡V ~ 0,951УГ - 8,7 %. Однако, по отношению к притокам, полученным при переходе к натурной модели разница минимальная, так как расчетные значения практически описывают экспериментальные. Произведенный анализ показывает, что наибольшее расхождение значений расчетных и экспериментальных притоков наблюдается при относительной влажности менее 0,7. На наш взгляд, это расхождение объясняется использованием упруго-пластической идеальной модели грунта при математическом описании процесса движения воды в рабочем слое земляного полотна. В действительности с уменьшением влажности и пористости грунтового образца наиболее интенсивно проявляются вязкие деформации и реологические свойства грунта, которые

ведут к уменьшению величины притока. Отсюда можно сделать вывод о хорошей сходимости теоретических и экспериментальных данных в интервале влажности грунта Цг1т=(0,7..Л)1Уг. Наиболее важным является тот факт, что характер развития и время сохранения остаточного порового давления в эксперименте хорошо соотносится с теоретической кривой.

4 Обоснование требований к дренирующему слою дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог. Назначение толщины дренирующего слоя, его уклонов и материала без расчетов часто приводит к тому, что в процессе эксплуатации лесовозных дорог дренирующий слой не успевает отводить поступающую воду и не обеспечивает осушение рабочего слоя, снижая тем самым его несущую способность. Чтобы устранить данные отрицательные явления, необходимо толщину конструкции дренирующего слоя при проектировании определять расчетом исходя из его пропускной способности, а материал дренирующего слоя назначать исходя из его гранулометрического состава в зависимости от состава грунта рабочего слоя.

Расчет пропускной способности дренирующего слоя в конечном итоге заключается в определении максимальной глубины потока фильтрующейся в нем воды, которая зависит от величины притока в корыто, длины пути фильтрации (ширины ската покрытия), поперечного уклона дна корыта, коэффициента фильтрации материала слоя, а также от длительности расчетного периода.

Количество крупных и средних песков неизменно сокращается и растет их стоимость. Применение более крупнопористых материалов: щебня, гравия, нецелесообразно в виду их высокой стоимости и интенсивного заиливания. Данное обстоятельство требует расширения возможностей использования в качестве фильтрующего материала более дешевых местных мелких песков.

Экспериментальные исследования показали, что расход воды в капиллярной зоне дренирующего слоя, устроенного из мелких песков, практически такой же, как и в случае применения крупных песков. В связи, с этим можно ожидать, что при создании непосредственно на дорогах вакуум-напора /;,, равного толщине слоя песка /¡, все количество воды, поступающее в дренирующий слой, должно фильтроваться в капиллярном виде. Осушение дренирующих слоев наиболее оправдано при вакуум-напоре /г„=0,6...0,7Л4, когда даже мелкие пески характеризуются высокой прочностью вследствие относительной их влажности Ж <0,75 . Этот эффект достигается при устройстве закромочной дрены. Свободная вода поступает в дренирующий слой под действием отрицательного гидростатического давления - вакуум-напора /г,, переходит в капиллярную и в таком виде фильтруется к продольному ровику, глубина которого составляет 0,6...0,7Ик, где переходит в свободную и по трубам сбрасывается в водоприемник. Это позволяет повысить пропускную способность дренирующего слоя и, как следствие, создает предпосылки для применения местных мелких песков с Кф > 2 м/сут, Л; < 0,45.. .0,5 м и снижения толщины дренирующего слоя.

На основе проведенных исследований можно сформировать следующие основные принципы проектирования дренирующего слоя: критерием применения дренирующих слоев должно стать значение критической влажности грунта рабочего слоя земляного полотна, при котором для данного типа грунта и величины нагрузки не происходит отжатие свободной воды в расчетный период; толщина дренирующего слоя должна быть больше суммы высоты потока фильтрующегося в дренирующем слое в свободном состоянии и высоты капиллярного поднятия вод; суммарную

глубину фильтрационного потока в дренирующем слое рассчитывают из условия требуемого модуля упругости с учетом максимально возможной пропускной способности; глубина потока фильтрующейся воды должна определяться на основе рассмотрения модели фильтрации при неустановившемся режиме с учетом условия движения воды в рабочем слое; поступление воды в дренирующий слой происходит из рабочего слоя (пучинное питание) и в результате просачивания атмосферных осадков (атмосферное питание); приток воды из рабочего слоя земляного полотна необходимо определять с учетом времени и интенсивности воздействия колесных нагрузок в наиболее неблагоприятные периоды года, когда грунт имеет низкие де-формативные характеристики; коэффициент фильтрации материала дренирующего слоя должен обеспечивать своевременный отвод воды из дренирующего слоя за пределы покрытия; для улучшения пропускной способности дренирующего слоя необходимо устройство в кромке покрытия дренажа мелкого заложения; гранулометрический состав материала дренирующего слоя подбирается из условия предотвращения фильтрационного разрушения рабочего слоя на границе с дренирующим слоем.

Дренажная конструкция (дренирующий слой и водоотводящие устройства) необходима в традиционных конструкциях дорожных одежд со слоями из зернистых материалов на земляном полотне из слабо фильтрующих грунтов (пылеватых песков, непылеватых песков с коэффициентом фильтрации менее 0,5 м/сут, глины). Во II и III ДКЗ для всех схем увлажнения рабочего слоя, в IV и V ДКЗ - для 3-й схемы, а также, если в основании проезжей части, возможно, скопление воды, проникающей с поверхности (затяжные продольные уклоны, водопроницаемое покрытие, наличие сравнительно легко водопроницаемых грунтов на обочинах, вогнутые переломы продольного профиля, прилегающие к проезжей части лесные насаждения).

Основные выводы и рекомендации

1. Фильтрация воды в основаниях дорожных одежд происходит не только за счет гравитационных сил, но и в результате воздействия внешней нагрузки, что описывается полученным в диссертационной работе уравнением неустановившейся фильтрации воды в рабочем слое земляного полотна под действием колесной нагрузки, учитывающее сложное напряженно-деформированное состояние грунта.

2. При воздействии динамической нагрузки на дорожную конструкцию в переувлажненном рабочем слое земляного полотна возникает движение воды, на режимы которого оказывает влияние водопроницаемость грунта, его деформируемость под нагрузкой и интенсивность приложения нагрузки. Интенсивность поступления воды в дренирующий слой обусловливается характером деформирования рабочего слоя земляного полотна при проходе лесовозных автопоездов по дороге.

3. Предложенная модель движения воды в рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог учитывает основные параметры грунтовой среды (напряженное состояние, объем, физические свойства), описывающие поведение грунта и позволяет провести анализ их изменения в процессе воздействия циклической нагрузки от лесовозных автопоездов.

4. Деформирование земляного полотна при действии колесных нагрузок от лесовозных автопоездов сопровождается оттоком воды из активной зоны и фильтрационной консолидацией, характеризующейся увеличением плотности грунта и уменьшением параметров фильтрации, что учтено в разработанной динамической модели рабочего слоя земляного полотна.

5. Полученная теоретическая зависимость, описывающая динамику изменения величины избыточного порового давления в условиях динамического нагружения, удовлетворительно соответствует реальному процессу фильтрации воды в переувлажненном рабочем слое (среднее относительное отклонение расчетных значений от полученных экспериментально составляет 8,2 %).

6. Для устранения явлений застоя воды на поверхности рабочего слоя земляного полотна необходимо толщину конструкции дренирующего слоя определять расчетом исходя из его пропускной способности, а материал дренирующего слоя назначать исходя из его гранулометрического состава в зависимости от состава грунта рабочего слоя.

7. Применение дешевых местных мелких песков с Кф > 2 м/сут для устройства дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог наиболее эффективно при вакуум-напоре составляющем 60...70 % от толщины слоя песка и устройстве закромочной дрены, что также обеспечивает снижение толщины дренирующего слоя.

8. Сформулированы требования к дренирующему слою дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог и положения расчета его толщины, обеспечивающие соответствие проектных решений условиям эксплуатации. Реализация положений разработанного метода в условиях Калужской (П2 ДКЗ) и Воронежской (Uli, IV ДКЗ) областей обеспечила экономический эффект более 100 тыс. руб на 1 км в текущем уровне цен.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ

1. Кириллов, Ф.А. Повышение надежности дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог [Текст] / Ф.А. Кириллов // Вестник МГУЛа «Лесной вестник». -2009.-№2-С. 109-113.

2. Курьянов, В.К. Математическая модель потока воды в дренирующем слое дорожной одежды с учетом фильтрации в капиллярной зоне [Текст] / В.К. Курьянов, A.B. Скрышшков, Ф.А. Кириллов // Изв. ВУЗов «Северокавказский регион. Технические науки». - 2005. - № 5. - С. 136-140 (личный вклад - 30 %).

Статьи и материалы конференций

3. Афоничев, ДЛ. Распределение грузонапряженности по ширине проезжей части автомобильной дороги [Текст] / Д.Н. Афоничев, Ф.А. Кириллов; ВГЛТА. - Воронеж, 2000. - 26 с. - Деп. в ВИНИТИ 15.06.2000, № 1689-В2000 (личный вклад - 40 %).

4. Кириллов, Ф.А. Оценка распределения грузонапряженности по ширине проезжей части автомобильной дороги [Текст] / Ф.А. Кириллов // Лес и молодежь ВГЛТА -2000 г.: сб. научн. тр. юбил. конф. молодых ученых, посвящ. 70-летию ВГЛТА. - Воронеж, 2000.-С. 176-181.

5. Афоничев, Д.Н. Обоснование параметров проезжей части колейных покрытий автомобильных дорог лесопромышленного комплекса [Текст] / Д.Н. Афоничев, Ф.А. Кириллов. - Воронеж, 2001. - 17 с. - Деп. в ВИНИТИ 31.10.2001, № 2284-В2001 (личный вклад - 40 %).

6. Афоничев, Д.Н. Анализ взаимодействия транспортных средств с дорожными одеждами [Текст] / Д.Н. Афоничев, В.А. Морковин, Ф.А. Кириллов // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: межвуз. сб. научн. тр. / ВГЛТА. - Воронеж, 2002. - Вып. 7. - Т. 2. - С. 23-26 (личный вклад - 30 %).

7. Кириллов, Ф.А. Повышение транспортно-эксплуатационных качеств покрытий переходного типа автомобильных дорог [Текст] / Ф.А. Кириллов // Лес. Наука. Молодежь. ВГЛТА - 2002: сб. матер, по итогам НИР молодых ученых / ВГЛТА. -Воронеж, 2002. - С. 173-175.

8. Афоничев, ДЛ. Особенности конструкции и проектирования нежестких дорожных одежд с покрытиями переходного типа [Текст] / Д.Н. Афоничев, Ф.А. Кириллов // Лес. Наука. Молодежь. ВГЛТА - 2002: сб. матер, по итогам НИР молодых ученых / ВГЛТА. - Воронеж, 2002. - С. 164-166 (личный вклад - 45 %).

9. Кириллов, Ф.А. Анализ методов расчета толщины дренирующего слоя дорожной одежды [Текст] / ФА. Кириллов // Проблемы функционирования, стабилизации и устойчивости развития предприятий лесопромышленного комплекса в новом столетии: матер, междунар. научн.-практич. конф. / ВГЛТА. - Воронеж, 2004. -С.208-211.

10. Кириллов, ФА. Особенности регулирования водного режима земляного полотна и оснований дорожных одежд [Текст] / Ф А. Кириллов // Технологии, машины и производство лесного комплекса будущего: материалы международной научно-практической конференции / ВГЛТА. - Воронеж, 2004. - Ч. П. - С. 52-56.

11. Курьянов, В.К. Характеристика и обоснование применения дренирующих слоев при строительстве лесовозных автодорог [Текст] / В.К. Курьянов, Е.В. Кондрашова, ФА. Кириллов // Наука и образование лесного комплекса: матер, междунар. научн.-практич. конф. / ВГЛТА. - Воронеж, 2005. - Т. 2. - С. 200-203 (личный вклад - 30 %).

12. Курьянов, В.К. Контроль прочности дорожных одежд [Текст] / В.К. Курьянов, Е.В. Кондрашова, Т.В. Скворцова, ФА. Кириллов // Наука и образование лесного комплекса: матер, междунар. научн.-практич. конф. / ВГЛТА. - Воронеж, 2005. - Т. 2. -С. 208-211.

13. Кириллов, ФА. Моделирование изменения водного режима грунтового основания дорожной одежды лесовозных автомобильных дорог под воздействием колесной нагрузки [Текст] / Ф.А Кириллов; ВГЛТА - Воронеж, 2007. - 33 с. - Деп. в ВИНИТИ 07.11.2007, №1026-В07.

14. Афоничев, Д.Н. Обоснование параметров сборных покрытий автомобильных дорог / Д.Н. Афоничев, В.А. Морковин, Ф.А. Кириллов; ВГЛТА. -28 с. - Деп. в ВИНИТИ 04.05.2008, № 382-В2008 (личный вклад - 30 %).

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.034.02 или выслать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 394613, г. Воронеж, улица Тимирязева, 8, Воронежская государственная лесотехническая академия, ученому секретарю.

Телефоны (8-4732) 53 72 40, (8-4732) 53 70 16; факс (8-4732) 53 72 40.

КИРИЛЛОВ Федор Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ДРЕНИРУЮЩЕГО СЛОЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 18.08.2009 Заказ № 216

__Объем 1,2 уел п. л. Тираж ЮОэкз _

Отпечатано в УОП ВГЛТА г.Воронеж, ул. Тимирязева,8

Введение.

1 Состояние проблемы регулирования водно-теплового режима рабочего слоя земляного полотна лесовозных автомобильных дорог.

1.1 Способы регулирования водно-теплового режима земляного полотна.

1.2 Методы определения избытка воды на поверхности рабочего слоя земляного полотна.

1.3 Отвод воды из дорожных одежд.

1.3.1 Рекомендации по устройству дренирующего слоя.

1.3.2 Принципы и методы расчета дренирующего сдоя.

1.4 Выводы. Цель и задачи исследования.

2 Изменение водного режима рабочего слоя земляного полотна лесовозных автомобильных дорог при движении лесовозных автопоездов.

2.1 Определение зон приложения колесных нагрузок.

2.2 Математическая модель движения воды в рабочем слое земляного полотна под воздействием колесной нагрузки.

2.2.1 Принятые допущения модели.

2.2.2 Теоретические основы процесса движения воды в рабочем слое.

2.2.3 Принципиальные схемы движения воды в рабочем слое и их анализ.

2.3 Математическая модель поступления избытка свободной воды в дренирующий слой дорожной одежды при действии нагрузки.

2.4 Обоснование и реализация динамической модели рабочего слоя.

2.5 Выводы.

3 Исследование закономерностей движения воды в рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог при многократном нагружении.

3.1 Постановка задач.

3.2 Обоснование метода исследования и основных параметров физической модели грунта.

3.3 Методика экспериментальных исследований по оценке избыточного порового давления, деформативных и фильтрационных показателей переувлажненных грунтов.

3.3.1 Определение избыточного порового давления.

3.3.2 Определение деформативных показателей грунтов.

3.3.3 Определение фильтрационных показателей грунтов.

3.4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ.

3.5 Проверка адекватности математической модели экспериментальным данным.

3.6 Выводы.

4 Обоснование требований к дренирующему слою дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог.

4.1 Положения по расчету дренирующего слоя.

4.2 Критерий применения дренирующего слоя.

4.3 Математическая модель неустановившейся фильтрации воды в дренирующем слое с учетом фильтрации в капиллярной зоне.

4.4 Аналитический метод определения глубины, с которой отжимается вода из оттаявшего рабочего слоя земляного полотна.

4.5 Обоснование требований к материалу дренирующего слоя.

4.6 Оценка эффективности использования результатов исследований.

Актуальность темы. Современные методы ведения лесного хозяйства и организации лесопромышленного производства требуют принципиально новых подходов к проектированию лесных (лесовозных и лесохозяйственных) автомобильных дорог, предназначенных не только для вывозки древесины, но и для транспортного обеспечения процессов лесопользования, возобновления и охраны лесных ресурсов. Существующие лесные автомобильные дороги на большей своей протяженности характеризуются низким качеством покрытия, что требует при их реконструкции, капитальном ремонте, а также при новом строительстве уделить особое внимание усилению и повышению качества дорожных одежд.

Разнообразные причины изменения состояния рабочего слоя земляного полотна лесовозных автомобильных дорог приводят к недопустимым деформациям дорожных одежд, следствием чего являются разрушения дорожных покрытий. Повышение интенсивности движения на лесовозных автомобильных дорогах и грузоподъемности транспортных средств способствуют внешнему проявлению участков с недостаточной прочностью. В результате снижается безопасность движения и возрастает себестоимость вывозки древесины.

Многолетний опыт эксплуатации лесовозных автомобильных дорог показывает, что одной из основных причин преждевременного разрушения дорожных покрытий является переувлажнение верхней части рабочего слоя земляного полотна из-за неудовлетворительного состояния дренирующих и водоотводных систем. В основаниях дорожных одежд в период оттаивания рабочего слоя земляного полотна накапливается свободная вода, которая отжимается из грунта при интенсивном движении по дороге лесовозных автопоездов и снижает прочность дорожной конструкции в среднем на 20.30 %. Концентрация влаги в зимний период приводит к неравномерным пучениям из-за образования ледяных линз и прослоек, что способствует образованию трещин на дорожных покрытиях. Рекомендуемые для устройства дренирующих слоев дорожных одежд материалы, обеспечивающие эффективное осушение оснований, дорогостоящие, а поэтому необходимо изучить закономерности накопления и перемещения свободной воды в основаниях дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог, устраиваемых из местных дешевых материалов, что позволит разработать адекватный метод расчета таких дренирующих слоев.

Проблема разработки метода расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог актуальна для лесного комплекса, так как ее решение обеспечит повышение транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог, а следовательно и снижение затрат на вывозку древесины. Диссертационная работа выполнена в соответствии с направлением научно-исследовательской работы кафедры транспорта леса и инженерной геодезии Воронежской государственной лесотехнической академии: «Разработка ресурсосберегающих и экологически перспективных технологий лесовозного автомобильного транспорта» (№ гос. регистрации 01.200103889) в 2002—2010 годах.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог на стадии проектирования путем разработки метода расчета дренирующего слоя дорожных одежд на основе моделирования перемещения свободной воды в их основаниях под действием колесной нагрузки.

Объектами исследований являются процессы накопления и перемещения свободной воды в основаниях дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог под воздействием колесной нагрузки; материалы, используемые для устройства дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог.

Методы исследований. Исследования проводились методами: теории фильтрации, строительной механики, математической статистики, имитационного моделирования, испытаний дорожно-строительных материалов.

Значимость для теории. Полученные: уравнение неустановившейся фильтрации воды в рабочем слое земляного полотна под действием колесной нагрузки, учитывающее сложное напряженно-деформированное состояние грунта; аналитические зависимости величины остаточного порового давления от величины и времени действия колесной нагрузки, конструкции дорожной одежды и деформативных свойств грунта; модель движения воды в рабочем слое земляного полотна с учетом основных параметров грунтовой среды уточняют расчет требуемой толщины дренирующего слоя дорожных одежд.

Научная новизна:

- разработана математическая модель движения воды в упруго-пластичной среде и ее поступления в дренирующий слой дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог из рабочего слоя земляного полотна, отличающаяся тем, что учитывает действие внешней динамической нагрузки от лесовозных автопоездов и ее распределения по ширине проезжей части;

- предложена математическая модель неустановившейся фильтрации воды в дренирующем слое, отличающиеся учетом движения в капиллярной зоне при наличии инфильтрации сверху от атмосферных осадков и притока снизу от воздействия колесной нагрузки лесовозных транспортных средств;

- установлены закономерности поступления свободной воды в дренирующий слой дорожной одежды в зависимости от величины остаточного порового давления, отличающиеся учетом времени действия колесной нагрузки;

- получена зависимость, описывающая динамику изменения величины избыточного порового давления в условиях динамического нагружения, отличающаяся удовлетворительным соответствием реальному процессу фильтрации воды в переувлажненном рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог.

Научные положения, выносимые на защиту:

- математическая модель движения воды в упруго-пластичной среде и ее поступления в дренирующий слой дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог из рабочего слоя земляного полотна, позволяющая определить приток воды в основание дорожной одежды в зависимости от интенсивности движения лесовозных автопоездов;

- математическая модель неустановившейся фильтрации воды в дренирующем слое, которая позволяет обосновать требования к материалу и размерам дренирующего слоя;

- закономерности движения воды в рабочем слое земляного полотна при многократном нагружении, позволяющие уточнить метод расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог;

- принципы проектирования дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог, позволяющие обеспечивать соответствие проектных решений условиям эксплуатации.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена экспериментальными исследованиями, внедрением при проектировании автомобильных дорог в Калужской и Воронежской областях, применением современных методов имитационного моделирования, компьютерной обработки информации и планирования эксперимента.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные модели, принципы и положения расчета дренирующего слоя позволяют на стадии проектирования заложить требуемый уровень надёжности лесовозных автомобильных дорог для конкретных условий эксплуатации, а также обосновать параметры дренирующего слоя дорожных одежд, выполняемого из дешевых местных мелких песков и тем самым снизить затраты на строительство лесовозных автомобильных дорог. v

Личное участие автора заключается в определении цели и задач исследований, в разработке математических моделей, планировании и проведении экспериментов, анализе результатов работы.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на юбилейной конференции молодых ученых, посвященной 70-летию образования ВГЛТА (Воронеж, 2000 г.); на международных научно-практических конференциях: «Проблемы функционирования, стабилизации и устойчивости развития предприятий лесопромышленного комплекса в новом столетии» (Воронеж, 2004 г.); «Технологии, машины и производство лесного комплекса будущего» (Воронеж, 2004 г.); «Наука и образование лесного комплекса» (Воронеж, 2005 г.); на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГЛТА в 2002-2009 годах.

Результаты исследований внедрены: в МУП «Горкомхоз» администрации города Воронежа, ООО «СОЮЗАРХПРОЕКТ» (г. Воронеж), центре дорожно-мостового проектирования «Магистраль» (г. Воронеж) и использованы при разработке проектов автомобильных дорог в Воронежской и Калужской областях.

Публикации. Соискателем по результатам диссертации опубликовано 14 научных статей, в том числе 2 статьи в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ и 5 статей без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы из 86 наименований, 6 приложений. Работа изложена на 161 страницах машинописного текста и включает 21 таблицу и 41рисунок.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Фильтрация воды в основаниях дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог происходит не только за счет гравитационных сил, но и в результате воздействия внешней нагрузки, что описывается полученным в диссертационной работе уравнением неустановившейся фильтрации воды в рабочем слое земляного полотна под действием колесной нагрузки, учитывающее сложное напряженно-деформированное состояние грунта.

2. При воздействии динамической нагрузки на дорожную конструкцию в переувлажненном рабочем слое земляного полотна возникает движение воды, на режимы которого оказывает влияние водопроницаемость грунта, его деформируемость под нагрузкой и интенсивность приложения нагрузки. Интенсивность поступления воды в дренирующий слой обусловливается характером деформирования рабочего слоя земляного полотна при проходе лесовозных автопоездов по дороге.

3. Предложенная модель движения воды в рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог учитывает основные параметры грунтовой среды (напряженное состояние, объем, физические свойства), описывающие поведение грунта и позволяет провести анализ их изменения в процессе воздействия циклической нагрузки от лесовозных автопоездов.

4. Деформирование земляного полотна при действии колесных нагрузок от лесовозных автопоездов сопровождается оттоком воды из активной зоны и фильтрационной консолидацией, характеризующейся увеличением плотности грунта и уменьшением параметров фильтрации, что учтено в разработаной динамической модели рабочего слоя земляного полотна.

5. Полученная теоретическая зависимость, описывающая динамику изменения величины избыточного порового давления в условиях динамического нагружения, удовлетворительно соответствует реальному процессу фильтрации воды в переувлажненном рабочем слое (среднее относительное отклонение расчетных значений от полученных экспериментально составляет 8,2 %).

6. Для устранения явлений застоя воды на поверхности рабочего слоя земляного полотна необходимо толщину конструкции дренирующего слоя определять расчетом исходя из его пропускной способности, а материал дренирующего слоя назначать исходя из его гранулометрического состава в зависимости от состава грунта рабочего слоя.

7. Применение дешевых местных мелких песков с Кф > 2 м/сут для устройства дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог наиболее эффективно при вакуум-напоре составляющем 60.70 % от толщины слоя песка и устройстве закромочной дрены, что также обеспечивает снижение толщины дренирующего слоя.

8. Сформулированы требования к дренирующему слою дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог и положения расчета его толщины, обеспечивающие соответствие проектных решений условиям эксплуатации. Реализация положений разработанного метода в условиях Калужской (П2 ДКЗ) и Воронежской (IIIь IV ДКЗ) областей обеспечила экономический эффект более 100 тыс. руб на 1 км в текущем уровне цен.

1. Пособие по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна Текст. (к СниП 2.05.02-85)/СоюздорНИИ.- М.: Стройиздат, 1989. 97с.

2. Рекомендации по осушению дорожной одежды и верхней части земляного полотна автомобильной дороги Текст. М.: Минавтодор РСФСР, 1970. — 67с.

3. Ионат В.А. Расчет горизонтального дренажа на неоднородных грунтах Текст. / под ред. С.Ф. Аверьянова. Таллин: Изд. ЗНИИЗ и М, 1962. - 342с.

4. Тулаев, А.Я. Конструкция и расчет дренажных устройств Текст. / А.Я. Тулаев. -М.: Транспорт, 1980. 191с.

5. Байбак, Ю.В. Исследование работы дренирующих слоев дорожной одежды Текст. : автореф. дис. .кан. тех. наук / Байбак, Ю.В. М.: МАДИ, 1968. - 31с.

6. Корсунский, М.В., Труды Союздорнии Текст. Вып. 13. Регулирование водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог в районах сезонного промерзания / М.В. Корсунский, П.Д. Россовский, Г.В. Волчанский. М.: Союздорнии, 1966. - с. 14-28.

7. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд Текст. /под ред. И.А. Золоторя, Н.А. Пузакова, В.М. Сиденко. — М.: Транспорт, 1971. 416с.

8. Золотарь, И.JI. Теоретические основы применения тонкодисперсионных грунтов для возведения земляного полотна автомобильных дорог в Северных районах области многолетнемерзлых грунтов Текст. : моногр. / И.Л. Золотарь. — Л.: ВАТиТ, 1961.-267с.

9. Автомобиальные дороги (совершенствование методов проектирования строительства) Текст. / под ред. В.М. Сиденко. — Киев: «Бущвельник», 1973. 278с.

10. Тулаев, А.Я. Теория и практика назначения морозоустойчивых и дренирующих слоев дорожной одежды Текст. : дис. . д-ра тех. наук / Тулаев А.Я. — М.: МАДИ, 1963.-555с.

11. Фельдман, Г.Н. Решение одномерной задачи консолидации оттаивших грунтов с учетом переменной проницаемости и сжимаемости Текст. / Г.Н. Фельдман. — Якутск: Материалы Всесоюзного совещания по геокриологии, вып. 5, 1966. -С.45-46.

12. Корсунекий, М.В. Оценка прочности дорог с нежесткими одеждами Текст. / М.В. Корсунский. М.: Транспорт, 1966. - 247с.

13. Корсунский, М.В. Принципы проектирования морозозащитных и дренирующих слоев Текст. : тез. докладов на Всесоюзной конференции по прочности дорог. Харьков: изд. ХГУ, 1967. -с.87-101.

14. ВСН 46-83. Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа. Министерство транспортного строительства СССР. -М.: Транспорт, 1985. -157с.

15. Седергрен, Г.Р. Дренаж дорожных одежд и аэродромных покрытий. Перевод с анг. Текст. / Г.Р.Седергрен М.: Транспорт, 1981. - 280с.

16. Тулаев, А.Я. Осушение земляного полотна городских дорог Текст. / А.Я. Тулаев. -М.: Стройиздат, 1983. 132с.

17. Герсеванов, Н.М. Теоретические основы механики грунтов и их практическое применение Текст. / Н.М. Герсеванов, Д.Е. Полыпин. М.: Стойиздат, 1948. -245с.

18. Абеков, Т.У. Исследование образования избытка свободной воды вльдонасыщенных оттаявших грунтах и способ их осушения Текст. : автореф. дис. . кан. тех. наук / Абеков Т.У. М.: МАДИ, 1971. - 28с.

19. Шестаков, В.Н. Динамика подземных вод Текст. / В.Н. Шестаков. —М.: Изд. МГУ, 1979. -327с.

20. Бузинов, С.Н., Исследование пластов и скважин при упругом режиме фильтрации Текст. / С.Н. Бузинов, Н.Д. Умрихин. -М.: Недра, 1964. с.27.

21. Филипп, Д.Р. Теория инфильтрации. В кн. Изотермическое передвижение влаги в зоне аэрации Текст. / Д.Р. Филипп. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. — С.6-71.

22. Хрусталев, JI.H. Фильтрационные свойства сезоннопротаивающих глинистых грунтов в районе Воркуты. В кн. Материалы к основам учения о мерзлых зонах земной коры. Вып.7. -М.: Изд. АН СССР, 1961. С. 157-163.

23. Тер-Мартиосян, З.Г. Прогноз механических процессов в массивах многофазных грунтов Текст. / З.Г. Тер-Мартиосян. М.: Стройиздат, 1986. — 256с.

24. Методические рекомендации по проектированию жестких дорожных одежд (взамен ВСН 197-91)/ Министерство транспорта РФ/ Гос. Служба дорожного хозяйства (Росавтодор). М.: ФГУП «ИНФОРМАВТОДОР», 2004. - 135с.

25. МОДН 2-2001. Проектирование нежестких дорожных одежд/ Межправительственный совет дорожников. М.: ФГУП «СоюздорНИИ», 2002. - 155с.

26. СНиП 2.05.02-85*. Автомобильные дороги / Госстрой России. М.: ФГУП ЦПП, 2004. - 54с.

27. Афоничев, Д.Н. Обоснование параметров проезжей части колейных покрытий автомобильных дорог лесопромышленного комплекса Текст. / Д.Н. Афоничев, Ф.А. Кириллов. Воронеж, 2001. - 26 с. - Деп. в ВИНИТИ 15.06.01, №2284-В01.

28. Афоничев, Д.Н. Распределение грузонапряженности по ширине проезжей части автомобильной дороги Текст. / Д.Н. Афоничев, Ф.А. Кириллов. Воронеж, 2000. - 26 с. - Деп. в ВИНИТИ 15.06.2000, № 1689-В00.

29. Кириллов, Ф.А. Моделирование изменения водного режима грунтового основания дорожной одежды лесовозных автомобильных дорог под воздействием колесной нагрузки Текст. / Ф.А Кириллов. — Воронеж, 2007. — 33 с. — Деп. в ВИНИТИ 07.11.07, №1026-В07.

30. Развитие исследований по теории фильтрации в СССР (1917-1967). М.: Наука, 1969.-456с.

31. Вялов, С.С. Реологические основы механики грунтов Текст. / С.С. Вялов. М.: Высшая школа, 1978. - 447с.

32. Зарецкий, Ю.К. Статика и динамика грунтовых платин Текст. / Ю.К. Зарецкий, В.Н. Ломбардо. -М.: Энергоиздат, 1983. 256с.

33. Лейбензон, Л.С. Движение природной жидкости и газов в пористой среде Текст. / Л.С. Лейбензон. -М.: Гостехиздат, 1951. 325с.

34. Флорин, В.А. Основы механики грунтов Текст. Т. II / В.А. Флорин. -М.: Высшая школа, 1961. 316с.

35. Флорин, В.А. Теория уплотнения земляных масс Текст. / В.А. Флорин. -М.: Стройиздат, 1948.-284с.

36. Цытович Н.А., Тер-Мартиосян З.Г., Нуриджанян С.Ш. Нелинейная консолидация глин с учетом старения. Труды II Всесоюзного симпозиума по реологии грунтов.-Ереван: ЕГУ, 1976. -С.346-351.

37. Тихонов, А.И. Уравнения математической физики Текст. / А.И. Тихонов, А.А. Самарский М.: Наука, 1977. - 735с.

38. Кривисский, A.M. Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд по местному предельному равновесию Текст. / A.M. Кривисский. М.: Ав-тотрансиздат, 1963. - 76с.

39. Жинкин Г.Н., Зурабина А.П. Влияния вибродинамического воздействияпоездов на изменение прочности земляного полотна. Тр. Уральского ВНИИ железнодорожного транспорта. Вып. 16. — М., 1969. — с.128-135.

40. Кистанов А.И. Влияние динмического воздействия поездов на прчность глинистых грунтов земляного полотна. Тр. ЛНИИЖТ. Вып. 285. — JL, 1968, — с.148-154.

41. Черкасов, И.И. Механические свойства грунтов в дорожном строительстве Текст. / И.И. Черкасов. — М.: Транспорт, 1976. — 217с.

42. Кириллов, Ф.А. Повышение надежности дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог Текст. / Ф.А. Кириллов // Лесной вестник. — № 2, Мытищи: МГУЛ, 2009. С. 109-113.

43. Баренблатт, Г.И., Крылов А.П. Об упругопластичном режиме нефтяного пласта. Доклад на IV Международном нефтяном конгрессе в Риме. М.: Изд. АН СССР, 1955.-c.l-30.

44. Полубаринова-Кочина, П.Я. Теория движения грунтовых вод Текст. / П.Я. Полубаринова-Кочина. — Изд. 2-ое. М.: Наука, 1977. — 628с.

45. Зарецкий, Ю.К. Лекции по современной механики грунтов Текст. / Ю.К. Зарецкий. М.: Наука, 1989. - 536с.

46. Качуровский, Е.П. Оценка влияния напряженно-деформированного состояния грунтов верхней части земляного полотна на влагонакопление дренирующего слоя дорожной одежды Текст. : дис. кан. тех. наук / Качуровский, Е.П. — М.: МАДИ, 1991.-270с.

47. Яковлева, Т.Г. Моделирование прочности и устойчивости земляного полотна Текст. / Т.Г. Яковлева, Д.И. Иванов. -М.: Транспорт, 1980. 255с.

48. Месгян, С.Р. Механические свойства грунтов и лабораторные методы их определения (с учетом временных факторов) Текст. / С.Р. Месгян. М.: Недра, 1974.-90с.

49. Кривисский, A.M. Лабораторные исследования предельного состояния грунта при поворотных нагружениях. Текст. / A.M. Кривинский. В кн.: Исследования прочности дорожных одежд. - М.: Автотрансиздат, 1959. - с.89-94.

50. Кривисский, A.M. Новые схемы для расчета нежестких дорожных одежд

51. Текст. / A.M. Кривинский. — М.: Автотрансиздат, 1961. 128с.

52. Жесткие покрытия аэродромов и автомобильных дорог Текст. / под ред. Г.И. Глушков М.: Транспорт, 1994. - 349с.

53. Абелев, М.Ю. Строительство промышленных и гражданских сооружений на слабых водонасыщенных грунтах Текст. /М.Ю. Абелев. М.: Стройиздат, 1983.-248с.

54. Абелев, М.Ю. Слабые водонасыщенные грунты как основания сооружений Текст. /М.Ю. Абелев. -М.: Стройиздат, 1973.-288с.

55. Гольдштейн, М.Н. Механические свойства грунтов Текст. / М.Н.Голыптейн. -М.: Стойиздат, 1981.-368с.

56. Зарецкий, Ю.К. Теория консолидации грунтов Текст. / Ю.К.Зарекций. -М.: Наука, 1967.-268с.

57. Косте, Ж. Механика грунтов (практический курс) Текст. / Ж. Косте, Г Санглера. -М.: Стойиздат, 1981. 455с.

58. Кошкин, Н.И. Справочник по элементарной физике Текст. / Н.И.Кошкин, М.Г.Ширкевич. М.: ГИФМЛ, 1960. -с.

59. Гольдштейн, М.Н. Механические свойства грунтов Текст. / М.Н.Голыптейн. Т.2-М.: Стойиздат, 1973.-372с.

60. Седов, Л.И. Методы подобия и размерности в механике Текст. / Л.И.Седов. М.: Наука, 1967. - 421с.

61. Теория и практика центробежного моделирования в строительстве Текст.: учеб. пособие / И.С.Федоров, В.Г.Мельник, А.И.Тейленбаум, В.А.Савина -М.: Стройиздат, 1984.-247с.

62. Маслов, Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов Текст. / Н.Н.Маслов. М.: Высшая школа, 1982. - 512с.

63. Седергрен, Г.Р. Дренаж дорожных одежд и аэродромных покрытий Текст. / Г.Р.Седерген / Перевод с анг. М.: Транспорт, 1981. - 280с.

64. Куканов, В.И. исследование поверхностного увлажнения земляного полотна автомобильных дорог с применением радиоактивных изотопов Текст.: дис. .кан. тех. наук / В.И.Куканов. М.:МАДИ, 1979. - 220с.

65. Анализ производственных возможностей дорожно-строительных частей и предложения по совершенствованию их технического оснащения. Отчет по НИР. — М.: в/ч 44526, 1989.-143.

66. Роза, С.А. Расчет осадки сооружений гидроэлектростанций Текст. / С.А.Роза. М.: Госэнергоиздат, 1959. - 385с.

67. Флорин, В.А. Основы механики грунтов Текст. / В.А.Флорин. Т. I. — М.: Госстройиздат, 1959.-358с.

68. Временные указания по инженерно-геологическим исследованиям слабых водонасыщенных грунтов. М.: Госстрой РСФСР, 1968. - 36с.

69. Истомина, B.C. Фильтрационная прочность глтнистых грунтов Текст. / В.С.Истомиеа, В.В.Буренкова. -М.: Стойиздат, 1975. 219с.

70. Рувинский, В.И. Обоснование мероприятий по защите земляного полотна от увлажнения поверхностными водам Текст. / В.И. Рувинский // Труды Союз-ДорНИИ. 1984. -Вып. 13. - С. 24-64.

71. СН 509-78. Инструкция по определению экономической эффективности использования в строительстве новой техники, изобритений и рационализаторских предложений. Госстрой СССР. -М.: Стройиздат, 1979. 65с.

72. Анализ производственных возможностей дорожно-строительных частей и предложения по совершенствованию их технического оснащения. Отчет по НИР. -М.: в/ч 44526, 1989.-143.

73. Рувинский, В.И. Оптимальные конструкции земляного полотна (на основе регулирования водно-теплового режима) Текст. / В.И.Рувинский. М.: Транспорт, 1982.-с. 140.

74. СНиП IV-4-82. Приложение. Сборник сметных цен на перевозки грузов для стоительства. 4.1. Железнодорожные и автомобильные перевозки/ Госстрой ССР. М.: Стройиздат, 1982. - 144с.

75. Единые нормы времени на перевозку грузов автомобильным транспортом и сделанные расценки для оплаты труда водителей. М.: Экономика, 1990. — 46с.