автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Регулирование водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края

На правах рукописи

РЕГУЛИРОВАНИЕ ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ КАМЧАТСКОГО КРАЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 НОЯ 2013

005538246

ХАБАРОВСК-2013

005538246

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ярмолинский Владимир Аполенарьевич

доктор технических наук, профессор

Жданова Светлана Мирзахановна

доктор технических наук

ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», кафедра «ЖД путь, основания и фундаменты», профессор

Вишневский Александр Витальевич

кандидат технических наук

ФГБОУ ВПО «Забайкальский государственный университет», кафедра «Строительство», доцент

федеральное казенное учреждение «Федеральное управление автомобильных дорог «Дальний Восток» (ФКУ «Дапьуправтодор»)

Защита состоится «05» декабря 2013 года в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.294.01 при в ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет» по адресу: 680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136, ауд. 315-л.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Тихоокеанского государственного университета.

Автореферат разослан « ЪО » Д^-^2013 г.

Ученый секретарь ()

\\ у /Лещинский Александр Валентинович

диссертационного совета__—\|\ а—»-^ I

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1. Актуальность темы исследования. Актуальность проведения исследований обоснована тем, что автомобильные дороги Камчатского края находятся в сложных природно-климатических условиях. Наличие на рассматриваемой территории пучини-стых пепловых фунтов, приводит к появлению большого количества деформаций и разрушений дорожных конструкций после каждого цикла промерзания - оттаивания грунта земляного полотна.

Это значительно снижает надежность работы дорожных конструкций, в результате чего сроки службы дорожных одежд сокращаются, а эксплуатационные качества существующих дорог значительно снижаются по сравнению с Европейской территорией страны и южной частью Дальнего Востока.

Автодорожная сеть Камчатского края является составным звеном опорной сети дорог Дальнего Востока, и является важнейшей составляющей для успешной модернизации и развития сети автомобильных дорог Дальневосточного федерального округа (ДФО) в рамках Федеральных целевых программ: «Развитие транспортной системы России (2010- 2015 годы) и «Экономическое и социальное развитие Дальнего Востока и Забайкалья» от которых зависит эффективное социально-экономическое развитие региона. Территория Камчатского края находится преимущественно в I дорожно-климатической зоне (ДКЗ) вечномерзлых фунтов, но юг полуострова, а также отдельные районы центральной части находятся во II ДКЗ характеризующейся глубоким сезонным промерзанием и избыточным увлажнением.

Ежегодно для восстановления низких транспортно-эксплуатационных характеристик автомобильных дорог, обусловленных неблагоприятной работой водно-теплового режима дорожных конструкций в зоне сезонного промерзания региона, тратятся офомные средства, но при этом проблема остается слабо решенной, а значит актуальной.

Это связано с тем, что существующие проектные решения не всегда фамотно учитывают специфику влияния природно-климатических факторов на конструкции автомобильных дорог Камчатского края.

В этой связи возникла необходимость в разработке методики регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края, на основе которой можно усовершенствовать систему проектирования и обеспечить надежность работы дорожных конструкций на протяжении их срока службы.

Решение этой задачи является важной народно-хозяйственной проблемой по

повышению надежности функционирования сети автомобильных дорог Камчатского края.

2.Степень разработанности темы диссертации. Существующие методы расчета водно-теплового режима автомобильных дорог проведены преимущественно для районов IIДКЗ Европейской части РФ. Аналогичные исследования в Камчатском крае ранее не проводились. Вместе с тем, специфика природно-климатических условий, наличие пучинистых пепловых фунтов обусловливает особенности, связанные с водно-тепловым режимом (ВТР), которые необходимо учитывать при проектировании региональных дорожных конструкций.

Проведенные исследования позволяют наблюдать работу водно-теплового режима дорожных конструкций автомобильных дорог края на экспериментальных участках. Такой подход позволит учитывать реальные условия работы автомобильных дорог и использовать их при принятии проектных решений.

Проведенные экспериментальные исследования по регулированию водно-теплового режима, явились основой для разработки рекомендаций, которые реализованы на автомобильных дорогах края.

3. Цель и задачи исследования. Целью настоящих исследований является разработка методики регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края в условиях глубокого сезонного промерзания и избыточного увлажнения.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ особенностей природно-климатических условий Камчатского края и дать их инженерную оценку;

2. Произвести дорожно-кпиматическое районирование Камчатского края, на основе которого осуществить экспериментальные исследования особенностей работы водно-теплового режима дорожных конструкций на опытных участках;

3. Изучить физико-механические свойства пепловых фунтов Камчатки и разработать методику определения их пучинистых свойств;

4. Уточнить аналитический метод расчета водно-теплового режима дорожных конструкций Камчатского края и разработать методику его регулирования;

5. Теоретически обосновать конструктивные решения и разработать рекомендации по проектированию конструкций автомобильных дорог Камчатского края с учетом природно-климатических особенностей.

4. Научная новизна работы состоит в:

- разработке предложений по дорожно-климатическому районированию Кам-

чатского края с учетом особенностей его природно-климатических условий, и их влияния на водно-тепловой режим автомобильных дорог;

- получении закономерностей изменения влажности, плотности и пучинистости пепловых фунтов земляного полотна на опытных участках автомобильных дорог края;

- уточнении метода расчета водно-теплового режима автомобильных дорог с учетом специфики природно-климатических условий;

- разработке научных принципов, позволяющих осуществлять регулирование водно-теплового режима дорожных конструкций, положенных в основу региональных дорожных нормативов и методических рекомендаций на проектирование автомобильных дорог Камчатского края.

5. Теоретическая и практическая значимость работы заключается в:

- усовершенствовании дорожно-климатического районирования Камчатского края и выработке проектных решений по назначению оптимальных типов дорожных конструкций;

- уточнении методики расчета водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края с учетом специфики его природно-климатических условий;

- реализации методики регулирования ВТР автомобильных дорог Камчатского края при назначении конструкций автомобильных дорог;

- разработке рекомендаций и конструктивных решений по проектированию дорожных одежд при строительстве и модернизации автомобильных дорог Камчатского края.

6. Методология и методы исследования. Методической базой исследования являются методы факторного анализа на основе фундаментального положения теории вероятностей и математической статистики; методы моделирования температурного поля дорожных конструкций, программные продукты решения прикладных задач.

7. Положения, выносимые на защиту:

- результаты исследований водно-теплового режима на опытных участках сети автомобильных дорог Камчатского края;

- аналитический метод расчета водно-теплового режима автомобильных дорог южной и центральной частей Камчатского края;

- методика регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края в условиях глубокого сезонного промерзания и избыточного увлажнения;

- рекомендации по проектированию и модернизации конструкций автомобильных дорог Камчатского края.

8. Достоверность научных выводов подтверждается применением совре-

менных методов расчета, программно-аппаратных средств и современного лабораторного оборудования, уровнем сходимости результатов математического моделирования и измерений фактических величин, большим объемом экспериментальных данных, полученных в результате диагностики транспортно-эксплуатационных характеристик на сети автомобильных дорог Камчатского края. Результаты научных исследований получены с применением методов математического анализа и современных программных продуктов для решения инженерных задач (Excel, Mat lab и др.). Достоверность полученных результатов подтверждена их внедрением в региональные дорожные нормативы, методические рекомендации и технические условия на проектирование, строительство и модернизацию автомобильных дорог Камчатского края.

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в Стандарте организации СТО 01-2012 «Рекомендации по корректировке существующей нормативно-технической базы по проектированию, строительству и ремонту автомобильных дорог в специфических природно-климатических условиях Камчатского края и обеспечению их эксплуатационной надежности за счет использования инновационных решений, материалов и технологий» Краевого государственного казенного учреждения «Камча-тупрдор», г. Петропавловск-Камчатский, 2012 г.

Апробация работы. Вклад автора в исследование проблемы.

Результаты исследований докладывались на следующих научно-технических конференциях:

1. Научно-техническая конференция «Инженерные разработки 2012», проводимая Хабаровским региональным отделением «Российской инженерной академии».

2. Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», проводимая Дальневосточным государственным университетом путей сообщения, 2012 г.

3. Vll-я международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасли юга России», проводимая факультетом автомобильных дорог и транспортных сооружений Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

4. Научный межвузовский семинар с участием аспирантов кафедр «Автомобильные дороги» ТОГУ и «Строительное производство» ДВГУПС 19 марта 2012 года в Дальневосточном Государственном Университете Путей Сообщения.

5. Научный семинар министерства транспорта и дорожного строительства Камчатского края по вопросам образования продольных и поперечных трещин в асфальтобетонном покрытии, а также разработке мероприятий по восстановлению техниче-

ских характеристик автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково, на участках км 117 - км 152, км 261 - км 288, г. Петропавловск-Камчатский, июль 2012.

6. Научно-практическая конференция «Особенности строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог в сложных природно-климатических условиях. Инновационные решения, материалы и технологии» в рамках Международной выставки-форума «Дороги России XXI века», г. Якутск, июль 2012 г.

Диссертационная работа является результатом длительных исследований, которые проводились автором при кафедре «Автомобильные дороги» Тихоокеанского государственного университета (ТОГУ). Исследования включают в себя натурные наблюдения на климатических постах и опытных участках автомобильных дорог Камчатского края, в частности, в южной и центральной частях рассматриваемого региона.

В результате чего был накоплен большой статистический материал и проведен непрерывный мониторинг за работой ВТР автомобильных дорог края.

Работа выполнялась в соответствии с отраслевыми и государственным программами по заданию Росавтодора России. В диссертацию вошли материалы проведенных автором исследований в рамках работ по государственному контракту от 07.11.2012 № 99 с Краевым государственным казенным учреждением «Управление автомобильных дорог Камчатского края» на выполнение научно-исследовательской работы по специальному обследованию фунтов при строительстве и реконструкции автомобильных дорог в Камчатском крае.

Ряд аналитических решений в области водно-теплового режима сезонно-промерзающих фунтов были получены в результате совместной работы с лабораторией СоюздорНИИ и Центральной научно исследовательской лабораторией ЦНИИС, с использованием профамм по расчету температурного режима земляного полотна ТМ-Р1.АТ на основе численных методов. На основании этих исследований разработаны ре-тональные нормативно-технические документы на проектирование и модернизацию автомобильных дорог Камчатского края.

Разработанная в соавторстве, конструкция земляного полотна при проектировании автомобильных дорог региона вошла в СТО 01-2012 «Рекомендации по корректировке существующей нормативно-технической базы по проектированию, строительству и ремонту автомобильных дорог в специфических природно-климатических условиях Камчатского края и обеспечению их эксплуатационной надежности за счет использования инновационных решений, материалов и технологий»

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных статей, из них 3 рекомендованы ВАК для защиты кандидатских и докторских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения; содержит 148 страниц основного текста, 52 рисунка, 37 таблиц, списка литературы из 152 источников, трех приложений на 13 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации рассмотрены существующие методы регулирования и расчета водно-теплового режима автомобильных дорог.

Количественная оценка процессов, протекающих в дорожной конструкции под влиянием погодно-климатических условий, разрабатывалась учеными: Е.С. Ашпизом, А.Е. Вишневским, С.Е. Гречищевым, Э.Д. Ершовым, В.Н. Ефименко, С.М. Ждановой, H.A. Золотарем, М.Б. Корсунским, В.А. Кудрявцевым, A.M. Кулижниковым, A.B. Лыковым, В.П. Носовым, В.В. Пассеком, H.A. Пузаковым, В.И. Рувинским, В.М. Сиденко, А.Я. Тулаевым, В.В. Ушаковым, A.A. Цернантом, Е.И. Шелопаевым, А.И. Ярмолинским, В.А. Ярмолинским и другими учеными.

Проведенный анализ показал, что существующие методы расчета водно-теплового режима автомобильных дорог не лишены недостатков, и не позволяют в полной мере дать всестороннюю оценку влияния климатических факторов на дорожные конструкции.

Для рассматриваемых условий глубокого сезонного промерзания и избыточного увлажнения автомобильных дорог центральной и южной частей Камчатского края, наиболее применима физико-техническая теория водно-теплового режима, разработанная В.И. Рувинским.

В тоже время, в силу стремительного развития и совершенствования электронно-вычислительных методов расчетов с использованием программно-аппаратных комплексов, наиболее актуальными на сегодняшний день являются такие методы расчета водно-теплового режима, которые позволяют алгоритмизировать расчет для дальнейшего программирования.

Таким является метод элементарных балансов, который положен в основу разработанной сотрудниками ОАО ЦНИИС программы по расчету температурного поля фунтового массива TM-FLAT.

Большие возможности для эффективных методов регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог появились в последнее время в связи с бурным развитием технологии производства геосинтетических материалов.

Рассматривая основные методы регулирования водно-теплового режима автомо-

бильных дорог, можно разделить их на две основные группы:

1. Нейтрализация источников увлажнения земляного полотна и эффективный водоотвод;

2. Защита земляного полотна от промерзания и морозного пучения тонкодисперсных фунтов.

Мероприятия второй фуппы предназначены для обеспечения морозоустойчивости дорожной конструкции и выравнивания хода промерзания земляного полотна под проезжей частью и обочинами. Для этого необходимо обеспечить следующее условие (1):

Кдо - V (1)

где Ядо - суммарное тепловое сопротивление дорожной одежды и рабочего слоя земляного полотна под проезжей частью;

ЯОБ - суммарное тепловое сопротивление рабочего слоя земляного полотна под обочинами.

Это необходимое, но не достаточное условие, которое должно быть обеспечено в соответствии с уравнением теплового (энергетического) баланса (2):

|>,+5 + 2>,=0 (2)

fel м

где j^S, - составляющие внешнего теплообмена, кДж/см2;

/=i

В - теплообороты в фунтовом массиве, кДж/см2; - эксергия внешних воздействий, кДж/см2.

м

В этой связи обеспечение надежности работы дорожных конструкций предлагается осуществлять на основании функционально-системных принципов проектирования земляного полотна автомобильных дорог.

Данный системно-функциональный принцип был положен в основу регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края с учетом природно-климатических особенностей региона (рисунок 1).

Анализ современных методов и тенденций регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог позволяет сделать вывод, что выбор конструктивно-технологических мероприятий, для управления прочностными и деформативными свойствами дорожных конструкций в условиях глубокого сезонного промерзания и избыточного увлажнения Камчатского края, следует осуществлять на основе разработанных функционально-системных принципов.

Категория дороги

Анализ природно-климатических, инженерно-геологических

Назначение конструктивных параметров земляного

Дорожно-климатическое районирование

Выбор принципа обеспечения прочностных и деформативных показателей

I дорожно-климатическая зона

Третий принцип проектирования, с

обеспечением предварительного оттаивания фунтов

Подзона Иь с наличием «перелеткоа», в районах деструктивного потепления климата и хозяйственной деятельности человека

1

Проектирование земляного

полотна с разработкой специальных мероприятий

для устранения деструктивных процессов природного и техногенного

Управляющие мероприятия по обеспечению прочностных и деформативных свойств земляного полотна

Проектирование и

строительство земляного полотна осуществляется по общепринятым нормам,

но с учетом глубины сезонного промерзания грунтов и комплекса мероприятий по регулированию водно-теплового режима

тепловые экраны

тепловые амортизаторы

тепловые диоды

I

Конструктивно-технологические мероприятия для управления прочностными и деформативными свойствами земляного полотна

тепловые трансформаторы

Л.

Груитово-скелетные добавки

Химическое улучшение фунтов

Применение геотекстиле й и геосеток

Другие методы регулирования ВТР земляного полотна

Рисунок 1 - Схема функционально-системных принципов регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края

Во второй главе представлена инженерная оценка природно-климатических условий проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог Камчатского края, дана характеристика пепловых фунтов и представлена методика проведения исследования.

Одним из наиболее распространенных видов деформаций дорожных покрытий, связанных с неблагоприятной работой водно-теплового режима, являются продольные трещины, образующиеся, как правило, по оси проезжей части. Протяженность такого вида деформаций на автомобильных дорогах южной части II ДКЗ Камчатского края составляет десятки километров. Для установления причин образования дефектов необходим детальный анализ природно-климатических условий края.

Климатические условия района проложения трассы автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково определяются геоморфологическими особенностями Центральной Камчатской низменности и способствуют образованию здесь наи-

более морозной тихой и солнечной зоны по сравнению с другими районами области.

В Камчатском крае широко распространены пепловые фунты, обладающие рядом специфических свойств. В силу их мало изученности и отсутствия о них достаточной информации в нормативно-технических документах, определялась их степень пучини-стости экспериментальным путем. Определение степени пучинистости фунтов при замерзании проводилось в соответствии с ГОСТ 28622-90 «Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости».

Относительную деформацию морозного пучения образца фунта е вычисляли с точностью до 0.01 по формуле (3):

е = (3)

а,

где - вертикальная деформация фунта в конце испытания, мм; с1, - фактическая толщина промерзшего слоя образца фунта, мм.

В качестве альтернативной методики испытания фунтов и материалов на морозоустойчивость в целях определения степени пучинистости фунтов, предлагается использовать электронный измеритель степени пучинистости фунтов УПГ-МГ4 «Грунт».

На электронном измерителе степени пучинистости фунтов УПГ-МГ4 «Грунт» были получены следующие результаты пучинистости пепловых фунтов, отобранных из фунтовой скважины на км 118+000 автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский -Мильково (таблица 1).

Таблица 1

Результаты измерения степени пучинистости пепловых фунтов автомобильной дороги

Петропавловск-Камчатский - Мильково с помощью прибора УПГ-МГ4 «Грунт»

№ Усилие на образце, Н Давление на образце, МПа Перемещение, мм Относительное морозное пучение Степень пучинистости

1 1.807 0.022 4.2 0.08 Сильнопучинисгый

2 1.643 0.020 5.0 0.10 Сильнопучинистый

3 1.905 0.023 4.65 0.09 Сильнопучинисгый

4 1.720 0.020 4.05 0.08 Сильнопучинистый

5 1.753 0.021 4.7 0.09 Сильнопучинистый

6 2.108 0.025 4.35 0.08 Сильнопучинисгый

7 1.935 0.024 4.65 0.09 Сильнопучинистый

Как показывают результаты измерения степени пучинистости фунтов, пепловый фунт, отобранный из фунтовой скважины на км 118+000 автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково, относится к сильнопучинистому со средним значением относительного морозного пучения 0.90.

Численная величина пучения определялась нивелировкой верха дорожной кон-

струкции на участках, подверженных образованию деформаций морозного пучения. Поэтому нивелирование проводилось в феврале и в июле.

На рисунке 2 представлен продольный профиль автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково на участке км 117+970 - км 118+030 по оси проезжей части в феврале и июле, а на рисунках 3 и 4 продольный профиль по левой и правой кромкам асфальтобетона соответственно на этом же участке в эти же периоды.

— в феврале

1' 1 в феврале 3 | 2 5 1 8 1

" И10ЛС 8 ^ 3 | Я I i |

Разница отметок, [0.15 0.14 ь <6

Километр £ I 1 | 118-010 1 1

Рисунок 2 - Продольный профиль автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково на участке км 117+970 - км 118+030 по оси проезжей части в феврале и июле

— в июле — в феврале

Отметка ле-1 вой кромки, м в феврале ® § Ы о 100.02 ¿0 001 100.02 100.03

в июле о- о- о- о-г- ? ? ?

Разница отметок, м 0.05 ¡0.05 О О 3 о 3 о О о' 3 О

Километр 117+970 117+980 117+990 0 1 0 1 0 1 118+030

2 о 3 ____

О ° О

— в июле — в феврале

Отметка правой кромки, м в феврале 1 1 § 100.09 -

в июле § 3 ? ? с КК) 07 100(16 г

Разница отметок, м 2 3 о о

Километр 117+970 117+980| 1 118+ООо| 118+010 ?

Рисунок 3 - Продольный профиль автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково на

Рисунок 4 - Продольный профиль автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково на

участке км 117+970 - км 118+030 по левой кромке участке км 117+970 - км 118+030 по правой кромке

асфальтобетона в феврале и июле

асфальтобетона в феврале и июле

Результаты исследования показали, что величина морозного пучения оси проезжей части в несколько раз превышает величину морозного пучения кромки асфальтобетонного покрытия. Следовательно, автомобильные дороги Камчатского края действительно испытывают деформации неравномерного морозного пучения, которые сопровождаются изгибом покрытия с образованием осевой продольной трещины.

В третьей главе для учета климатических характеристик района исследования при выполнении расчетов водно-теплового режима предложено уточненное дорожно-климатическое районирование территории Камчатского края.

Территория Камчатского края находится преимущественно в первой дорожно-климатической зоне (I ДКЗ): в субарктической холодной подзоне 1г и субарктической умеренно-холодной подзоне 1з. Южная и центральная прибрежные части территории края находятся во второй зоне (II ДКЗ), для которой характерны глубокое сезонное промерзание и избыточное увлажнение (рисунок 5).

Проектирование и строительство земляного полотна в пределах II ДКЗ территории полуострова в настоящее время осуществляется согласно СНиП 2.05.02-85* «Автомобильные дороги». Известно, что за основу природно-климатических факторов при разработке указанного нормативного документа приняты условия лесной зоны Европейской части России. Сравнение климатических факторов показывает, что на Камчатке более сложные природно-климатические условия. Особенно это касается глубины промерзания земляного полотна. В Европейской части России глубина промерзания земляного полотна не превышает двух метров, а на большем протяжении автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково глубина промерзания составляет 2.8 - 3.0 м. Разработанная схема дорожно-климатического районирования позволяет уточнить территорию II ДКЗ.

Рисунок 5 - Схема дорожно-климатического районирования Камчатского края

Анализ показывает, что на выделенной территории II ДКЗ осуществляется более 90% хозяйственной деятельности. В связи с этим становится понятной задача исследования особенностей водно-теплового режима именно во II ДКЗ, характеризующейся глубоким сезонным промерзанием грунта земляного полотна.

В качестве опытного был выбран участок, земляное полотно и дорожная одежда на котором была запроектирована согласно нормативам СНиП 2.05.02-85*. Результаты определения влажности грунта по глубине грунтового массива на опытном участке автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково представлены на рисунке 6.

А/б покрытие 'уА Черньй щебень ^Зс^Л

Песчано-гравийная смесь С5 ЬйСйЕ Галечниковый грунт [ ¡у^

Грунт земляного полотна: ( )\ супесь пытевзгая

Граница промерзания ^ дорожной конструкции

6 20 40 60 80 100

Влажность грунта. %

Рисунок 6 - Эпюра влажности земляного полотна по оси опытного участка км 118+000 автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково

Уточненное дорожно-климатическое районирование Камчатского края позволило выделить районы II ДКЗ с глубоким сезонным промерзанием грунта земляного полотна для детального исследования водно-теплового режима.

Комплекс проведенных полевых исследований на автомобильной дороге Петропавловск-Камчатский - Мильково показал, что основной причиной появления продольных трещин по оси дорожного покрытия является пучение сезонно промерзающих пылеватых фунтов земляного полотна, расположенных под дорожным покрытием (рисунок?).

На период промерзания дорожное покрытие и обочины, в соответствии с нормативными требованиями к уровню содержания дороги, свободны от снега, а откосы покрыты снеговыми отложениями толщиной от 1.0 до 1.5 м. Это обстоятельство вызывает неравномерное промерзание дорожной конструкции. Грунт земляного полотна быстрее промерзает под дорожным покрытием, а под обочинами и откосными частями он длительное время остается талым. Разность хода глубины промерзания между цен-

тральной и откосной частями земляного полотна на отдельных участках автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково составляет от 1.0 до 1.6 м.

конструкции опытного участка на км 118 автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково

Возникающий при этом эффект миграции влаги за счет разности термосопротивлений слоев дорожной одежды, присыпных обочин и откосов, покрытых толстым слоем снега, приводит к миграции влаги к фронту промерзания и пучению фунта земляного полотна под проезжей частью. Это подтверждается результатами обследования опытных участков на автомобильной дороге Петропавловск-камчатский - Мильково 117-152 км.

В четвертой главе проведен анализ особенностей годового режима работы автомобильных дорог Камчатского края, по результатам которого был составлен график водно-теплового режима дорожной конструкции. Для рассматриваемых условиях необходимо разработать методику расчета водно-теплового режима земляного полотна, учитывающую неблагоприятные природно-климатические условия Камчатского края.

За основу была взята расчетная схема процесса влагонакопления и пучинообра-зования в сезонно промерзающих фунтах, разработанная В.И. Рувинским и приведенная в Пособии по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна (к СНиП 2.05.02-85*).

В рассматриваемом случае глубокого сезонного промерзания грунта земляного полотна могут иметь место процессы миграции пленочной и капиллярно-подвешенной влаги к фронту промерзания под дорожным покрытием, по направлениям снизу и сбоку из талого фунта земляного полотна под обочинами.

Таким образом, процесс промерзания и влагонакопления в грунте в этих условиях необходимо рассматривать как двумерный, в отличие от одномерного процесса, предлагаемого в Пособии по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна.

Расчет коэффициентов уплотнения производят для каждого из четырех периодов

набухания, пучения, осадки и усадки грунта (4 - 7):

Ку{ос) = Ку(л) (1 + е,шб ) 15 (4)

Ку(э) = Ку(ос) (1 + епуч ) 1; (5)

Ку(в) - Ку(з) (1 - еосад ) 1; (6)

Ку(л) = ^у(в) (1 - еусад ) 1 > (7)

где - коэффициент уплотнения после набухания грунта осенью; Кх(1) - коэффи-

циент уплотнения после пучения грунта зимой; Ку(г:) - коэффициент уплотнения после осадки фунта весной; Ку(л) - коэффициент уплотнения после усадки фунта летом; еш6 - относительное набухание грунта; е,1уч - относительное пучение грунта; еосад>еусад ' относительная осадка грунта и его усадка.

Значения коэффициентов уплотнения вычисляют для фунта под проезжей частью К'^К'^К'^К'^К'^ и под обочинами К(')>кМ>К(™)>кЛ>)>к"¥)- В качестве

деятельной зоны рассматривается слой толщиной Дг, в пределах которого происходит приток воды в зону промерзания грунта под проезжей частью из грунта под обочинами земляного полотна (рисунок 8).

Исключение составляют участки автомобильных дорог, где грунтовые воды влияют в летний период на влажность фунта земляного полотна. При указанных условиях увлажнения земляного полотна влажность грунта в осенний период перед промерзанием равна капиллярной влагоемкости \Укв, доли единицы (8):

Ш -ш - ~ КУ(°С))' Рск(та.)Рв у

" ос кв 1С . . г возд (о)

у (ос) ' Рск(тах) ' Ргр

где ргр,рск,рв- соответственно плотность частиц грунта, скелета грунта и воды, кг/м3; Увозд- объем воздуха в грунте, доли единицы.

Расход капиллярно-подвешенной воды, поступающей по горизонтальному уровню от грунта под обочинами к границе промерзания под покрытием, можно представить формулой (9):

Ту _ К» ~^ор'К(ос)Рс,(шахтер (К'„д'к К'„д'к , КЧк

4Рв Ярв8

(9)

где тгр - площадь поперечного сечения фунта, м2; ц[,ц",ц'"- удельные движущие си-

лы менисков соответственно в I, II, III группах капилляров грунта с капиллярно-подвешенной водой, Па; К'Ш,К1 Л'Ц,- коэффициенты просачивания воды соответственно в I, II, 111 группах капилляров грунта, м/с; 5 - среднее расстояние, на которое перемещается капиллярно-подвешенная вода, м; g - ускорение свободного падения, м/с2.

Снег

Рисунок 8 - Расчетная схема влагонакопления в условиях избыточного увлажнения и глубокого сезонного промерзания земляного полотна: 1 - мерзлая зона; 2 - давление от веса дорожной одежды; 3 - зона фазовых превращений пленочной воды в лед и образования ледяных линз и кристаллов; 4 - слой Дг, в котором капиллярно-подвешенная вода превращается в лед; 5 - пленочная вода, мигрирующая к фронту промерзания из слоя дг; 6 - талая зона, в которой находится капиллярно-подвешенная вода

Значения ц[,ц1,ц'Ц определяют по формулам (10):

Чк = ч'к - <7min ; Чк =Ч"к - 4min i Чк = Чк ~ 4min 5 4min = Чк (1 °)

где q'K,q",q'",д'ки- удельные движущие силы мениска воды соответственно в I, II, III и IV

группах капилляров грунта, Па.

В свою очередь имеем (11-12):

qK =<J„(I0) (1,02-0,0020); (11)

10) (0,7+ 0,030),

где в - температура воды в грунте, °С.

Значение в принимается равным 0°С, значения

приведены в Пособии по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна (к СНиП

2.05.02-85*).

Включая в расчет величину расхода воды , получим выражение для определения влажности фунта Ж0 (доли единицы) под фаницей промерзания после оттока

воды из талого фунта под обочинами в мерзлый слой под покрытием при двухмерном решении задачи.

Для фунта под дорожным покрытием имеем (13):

где ()'р{т- величина расхода пленочной воды, поступающей в мерзлый слой из талого фунта с влажностью более оптимальной, м3/с; ()'1,,А7)- среднее значение расхода капиллярно-подвешенной воды, которая может поступить к фанице промерзания из фунта, расположенного ниже рассматриваемого слоя Д2Г земляного полотна, м3/с; и'пр -скорость промерзания фунта, м/с.

Величина определяемая по формуле (9), не может быть более значения

вр(о) - В противном случае принимают £?р<е,г)= £?;<„,.

При получении отрицательного значения выражения в скобках принимают (б'т-

где 0*(О)- величина расхода пленочной воды, поступающей из талого слоя фунта с влажностью более оптимальной в мерзлый слой, м3/с; <2"г(А/)- среднее значение расхода капиллярно-подвешенной воды, которая может поступить из фунта, расположенного под обочинами, м3/с.

На основании изложенного проведен расчет плотности и влажности в слое фунта земляного полотна толщиной 0,5 м от низа его рабочего слоя, насыпи на 118 км автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково, существующее земляное полотно которой отсыпано из супесчаного фунта.

Конструкция дорожной одежды, а также ожидаемые значения влажности и плотности фунта земляного полотна в слое толщиной 0,5 м от низа рабочего слоя представлены в таблице 2.

^у (ос) Рск(тахР„р Мгр

(13)

(14)

Таблица 2

Ожидаемые значения влажности и плотности фунта земляного полотна в слое толщиной 0,5 м от низа рабочего слоя

Период Влажность фунта Коэффициент уплотнения фунта

под дорожным покрытием под обочиной под дорожным покрытием под обочиной под дорожным покрытием под обочиной

Период устройства дорожной одежды 1,0 1,0 0,62 0,62 0,98 0,96

Осенний период перед промерзанием земляного полотна 1,32 1,32 0,81 0,81 0,98 0,96

Зимний период после промерзания слоя грунта 1,46 1,15 0,90 0,71 0,97 0,95

Весенний период после оттаивания фунта 1,46 1,33 0,90 0,82 0,96 0,94

Летний период после усадки грунта 1,0 1,0 0,62 0,62 0,97 0,95

Примечание. В таблице приведены значения влажности и плотное™ фунта для супеси пылеватой с влажностью на фанице текучести IV, 17 %, с оптимальной влажностью IV, равной 11 %.

Расчет плотности и влажности грунта земляного полотна опытного участка автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково показал, что влажность фунта под дорожным покрытием в зимне-весенний период близка к влажности на фа-нице текучести (0.91^), тогда как под обочинами влажность составила 0.71 - 0.82 IV,. Для обеспечения стабильной работы ВТР земляного полотна в рассматриваемых условиях необходимы мероприятия по выравниванию хода промерзания дорожной конструкции, которые обеспечат равномерное распределение влажности фунта земляного полотна и исключат образование буфа пучения по оси проезжей части. Поэтому в работе был проведен комплекс исследований по регулированию тепломассопереноса в дорожных конструкциях.

В пятой главе представлены рекомендации по регулированию водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края.

Приведено обоснование теоретических принципов назначения мероприятий по выравниванию хода промерзания дорожных конструкций. В качестве предлагаемого мероприятия по стабилизации водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края, предлагается использовать теплоизоляционный материал - пенопласт 31у-го^эат.

Был произведен расчет толщины слоя пенопласта. В результате толщина теплоизоляционного слоя из пенопласта, необходимая для стабилизации водно-теплового

режима автодорог в Камчатском крае, выравнивания глубины промерзания и исключения неравномерного пучинообразования составила 5 см.

Для подтверждения полученных результатов проведен теплотехнический расчет промерзания дорожной конструкции. Схема промерзания рассматривалась в двухмерной постановке модели с использованием программного продукта ТМР!_АТ, разработанного в ОАО ЦНИИС, г. Москва. Программа основана на методе элементарных балансов при моделировании процесса промерзания дорожной конструкции в заданную временную перспективу. Зависимость между температурой, временем и координатами элементарного объекта описывается дифференциальным уравнением (15): 8Т д ( дТ\ д(.дТ) 8 ( дТ\ ^

где л, у, г - координаты в пространстве; Т - температура тела в рассматриваемой точке; Э ,е,а,Ь ,с - известные функции от х,у,г и Т.

При промерзании - протаивании фунтов происходит перемещение во времени и в пространстве границы раздела фазовых состояний фунта - мерзлого и талого, при этом для описания процесса требуется три условия (16):

если п<п}(();

(16)

если п> л3(г); Ти=Тт=Т3 1 Я дт" 1дтт=0<1пЩп = пА1),

дп ^ дп Л \

где Си, Ст - теплоемкости соответственно мерзлого и талого фунта; Л„, Я.,. - коэффициенты теплопроводности соответственно мерзлого и талого фунта; Тм, Тт, Т3 -соответственно температура в мерзлой зоне, талой зоне, температура замерзания; л3(г) - координаты фронта промерзания;<9 - скрытая теплота при фазовых переходах.

Сосредоточенные теплоемкости блоков Стр/1 определяются по формуле (17):

ССосРМ=Си-ИгЬп (17)

где С,у - объемная теплоемкость, ккал/(м3фад); И,, Ь, - геометрические параметры блока, м.

Термическое сопротивление между блоками (j■,j-i) и (»;./) и Т-Д- определяется по формуле (18):

Ь>-> +—. (18) 2• ■ /г, 2-Я,-/г,

Определение изменения теплосодержания Д; за каждый временной шаг выполняется по формулам (19) - (21):

?/,у = «у-и + Яу+и+ + 9/+1,,.

(19)

где <7Н;, ,, Я,-!,, Ям, - притоки тепла (положительные и отрицательные) за временной шаг Дг, час в блок с индексами » соответственно со стороны блоков с индексами «/,у —1»,«;',_/' + ! »,«¿ — 1,7 »,«г + 1,у ».

Т' _ТГ Тт -Т'

7 =-У±—-У--АТ, дм.= ^ -Аг

9/-и

—-Аг, ?(+и=--- — • Дг

(20)

(21)

Л,-и '

Приращение ДГ, ( температуры в блоках на каждом временном шаге и температура на конец временного шага ДГ*}йг определяется по формуле (22):

Да

дг,"4' = + Ати = г^ + —

С„

(22)

Результаты расчета теплового поля дорожной конструкции без применения теплоизоляции и с применением пенопласта толщиной 5 см показаны на рисунках 9-10.

т

Ширина, ы

Рисунок 9 - Температурное поле насыпи автодороги Петропавловск-Камчатский -Мильково на период промерзания при отсутствии теплоизоляции

I ?

Ширина, ы

Рисунок 10 - Температурное поле насыпи автодороги Петропавловск-Камчатский - Мильково на период промерзания при введении теплоизоляции из пенопласта толщиной 5 см

Результаты расчета показали, что при толщине пенопласта 5 см достигается выравнивание хода промерзания грунта под покрытием и обочинами. В этих условиях влажность грунта будет распределена равномерно, что обеспечит стабильную работу ВТР грунта земляного полотна в рассматриваемых условиях.

На основании проведенных исследований для стабилизации ВТР автомобильных дорог Камчатского края с целью исключения деформаций в виде бугров пучения и трещин, вызванных глубоким неравномерным сезонным промерзанием дорожной конструкции, предлагается ряд мероприятий по стабилизации температурного поля насыпи по глубине грунтового массива. Указанные мероприятия представлены в таблице 3.

Таблица 3

Мероприятия по регулированию водно-теплового режима автодорог Камчатского края

Характеристика мероприятий

Схемы устройства

Обеспечение морозоустойчивости за счет устройства

Устройство теплоизолирующего слоя из пенопласта или туфа, обработанного жидким битумом или битумной

эмульсией, с коэффициентом теплопроводности X = 0.05 ккал/м час град толщиной 5 см

Устройство теплоизолирующего слоя из пенопласта или туфа, обработанного жидким битумом или битумной

эмульсией, с коэффициентом теплопроводности X = 0.05 ккал/м час град толщиной 10 см

1,2- асфальтобетонное покрытие; 3 - основание дорожной одежды; 4 - пенопласт, толщиной 5 см; 5 - земляное полотно; 6 - кривая промерзания; 7 - подстилающий грунт; 8 - присыпные обочины; 9 - снег на откосах насыпи

теплоизолирующих слоев

1 - асфальтобетонное покрытие; 2 - обочины и основание дорожной одежды; 3 - грунт земляного полотна; 4 - теплоизоляционный слой; 5 - подстилающий

грунт; 6 - граница промерзания дорожной конструкции; _7 - снег на откосах насыпи

1,2- асфальтобетонное покрытие; 3 - основание дорожной одежды; 4 - пенопласт, толщиной 5 см; 5 - земляное полотно; 6 - кривая промерзания; 7 - подстилающий грунт; 8 - присыпные обочины; 9 - снег на откосах насыпи

В диссертационной работе была проведена оценка экономической эффективности применения мероприятий по стабилизации водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края. Экономический эффект от внедрения результатов диссертационных исследований на объектах дорожного строительства составил 6 352 654 (шесть миллионов триста пятьдесят две тысячи шестьсот пятьдесят четыре) рубля 84 копейки в ценах 2013 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Диссертационная работа выполнена на актуальную тему исследования особенностей водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края. Решена важная народно-хозяйственная задача, позволяющая повысить надежность автомобильных дорог за счет усовершенствования норм проектирования и эксплуатационных методов.

2. Установленные закономерности водно-теплового режима позволяют более обоснованно назначить высоту насыпи в зависимости от условий увлажнения, глубины промерзания и величины пучения.

3. С учетом специфики природно-климатических условий разработаны теоретические принципы регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог, основанные на:

- совершенствовании системы осушения фунта земляного полотна за счет инновационных дренажных систем и материалов;

- регулировании фронта промерзании и пучения земляного полотна;

- регулировании высоты насыпи автомобильных дорог;

4. Осуществлена корректировка расчетного метода прогнозирования водно-теплового режима, положенного в основу Пособия к СНиПу 2.05.02-85*, в части учета неравномерного промерзания дорожной конструкции в рассматриваемых условиях.

5. В подтверждение теоретических предпосылок осуществлена опытная проверка предлагаемых решений на моделях и в натурных условиях.

6. Предложен ряд конструктивных мероприятий по регулированию водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края в условиях глубокого сезонного промерзания.

7. Проведены экспериментальные исследования водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края, результаты которых могут быть использованы в дальнейшем при проектировании автомобильных дорог в крае.

Использование результатов работы позволило разработать рекомендации по регулированию водно-теплового режима автомобильных дорог в условиях Камчатского края; осуществить корректировку дорожно-кпиматического районирования, которая была выполнена раннее в рассматриваемых условиях весьма схематично без учета влияния муссонных ветров на основные климатообразующие факторы региона; получить расчетные значения влажности и плотности фунта на эксплуатируемых автомобильных дорогах.

Проведенные исследования позволяют в дальнейшем обеспечивать системный подход в проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог Камчатского края и послужат надежном фундаментом для повышения надежности их функционирования на долгосрочную перспективу.

Разработанная конструкция земляного полотна внедрена при проектировании автомобильных дорог региона, вошла в СТО 01-2012 «Рекомендации по корректировке существующей нормативно-технической базы по проектированию, строительству и ремонту автомобильных дорог в специфических природно-климатических условиях Камчатского края и обеспечению их эксплуатационной надежности за счет использования инновационных решений, материалов и технологий».

Публикации в журналах и изданиях, включенных в перечень, определенных Высшей аттестационной комиссией:

1. Лопашук A.B. Пути повышения надежности работы дорожных конструкций региональной автодорожной сети Дальнего Востока / В.А. Ярмолинский, A.B. Лопашук // Транспортное строительство. - 2012. - № 3. - С. - 6-9.

2. Лопашук A.B. Пути обеспечения надежности работы автомобильных дорог Камчатского края I В.А. Ярмолинский, A.B. Лопашук // Транспортное строительство. -2012. -№ 7. -С. -4-7.

3. Лопашук A.B. Регулирование водно-теплового режима дорожных конструкций за счет использования теплоизолирующих слоев / В.А. Ярмолинский, A.B. Лопашук // Транспортное строительство. - 2012. - № 11. - С. - 18-20.

Публикации в материалах конференций и периодических изданий:

4. Лопашук A.B. Обеспечение надежности работы автомобильных дорог южной и центральной части Дальнего Востока за счет комплекса конструктивных методов и устройств регулирования водно-теплового режима дорожных конструкций / В.А. Ярмолинский, A.B. Лопашук // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского

гос. ун-та, 2011. - № 11. - С. - 73-79.

5. Лопашук A.B. Особенности водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края / A.B. Лопашук // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2011.- № 11. - С. - 106-112.

6. Лопашук A.B. Особенности расчета водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского фая в условиях глубокого сезонного промерзания / В.А. Ярмолинский, A.B. Лопашук//Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского гос. унта, 2012.-№ 12. - С. - 7-14.

7. Лопашук A.B. Повышение устойчивости земляного полотна на автомобильных дорогах за счет устройства прикромочных геотекстильных дренажей / А.И. Ярмолинский, В.В. Лопашук, A.B. Лопашук // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2012. - № 12. - С. - 24-29.

8. Лопашук A.B. Регулирование водно-теплового режима автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково за счет устройства теплоизолирующих слоев /А.И. Ярмолинский, В.В. Лопашук, A.B. Лопашук//Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2012. - № 12. - С. - 19-23.

9. Лопашук А. В. Рекомендации по определению степени пучинистости фунтов в лабораторных условиях/А.И. Ярмолинский, В.В. Лопашук, А.П. Пичкунов, A.B. Лопашук // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2012. - № 12. -С, - 34-41.

10. Лопашук A.B. Инженерная оценка природно-климатических условий строительства и эксплуатации автомобильных дорог Камчатского края / A.B. Лопашук // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2012. - № 12. _ С. - 42-49.

11. Лопашук A.B. Повышение эффективности осушения земляного полотна и дорожных одежд геосинтетическими материалами / А.И. Ярмолинский, И.С. Украинский, A.B. Лопашук//Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: международный сборник научных трудов. - Хабаровск: Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2012. -№ 12.-С.- 24-29.

ЛОПАШУК Андрей Викторович

РЕГУЛИРОВАНИЕ ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА АВТОБОМИЛЬНЫХ ДОРОГ КАМЧАТСКОГО КРАЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 17.10.2013 г. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Гарнитура «Arial». Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 220.

Отдел оперативной полиграфии издательства Тихоокеанский государственный университет 680035, Хабаровск, Тихоокеанская, 136

ФГБОУ ВПО

«ТИХООКЕАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

п Г 451 в ЛОПАШУК

04201 ^ Андрей Викторович

РЕГУЛИРОВАНИЕ ВОДНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ КАМЧАТСКОГО КРАЯ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Ярмолинский В.А.

ХАБАРОВСК-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................... 5

1 Современное состояние проблемы исследования и регулирования водно-теплового режима автодорог в районах избыточного увлажнения................................................... 42

1.1 Аналитический обзор методов наблюдения и исследования водно-теплового режима автодорог................... 12

1.2 Современные методы регулирования водно-

теплового режима автомобильных дорог................... 25

Выводы по главе 1..................................................... 34

2 Инженерная оценка природно-климатических условий проектирования автодорог Камчатского края и методика проведения исследования................................................. 36

2.1 Характеристика особенностей природно-климатических условий района исследования.............. 36

2.2 Характеристика пепловых грунтов покровных отложений Камчатского края............................................... 41

2.3 Методика проведения исследования........................... 47

Выводы по главе 2................................................... 60

3 Экспериментальные исследования особенностей водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского

края.................................................................................. 61

3.1 Дорожно-климатическое районирование территории Камчатского края......................................................

3.2 Исследование прочностных свойств пепловых грунтов 66

3.3 Рекомендации по определению степени пучинистости пепловых грунтов в лабораторных условиях................ 70

3.4 Результаты исследований водно-теплового режима на опытных участках автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский - Мильково.................................... 81

Выводы по главе 3................................................... 87

4 Теоретические исследования особенностей водно-

теплового режима автомобильных дорог Камчатского

края.................................................................................. 88

4.1 Анализ особенностей водно-теплового режима работы автомобильных дорог Камчатского края...................... 88

4.2 Принципы назначения высоты насыпи в зависимости от инженерно-геологических и гидрологических усло-

93

вии.........................................................................

4.3 Разработка методики расчета водно-теплового режима автомобильных дорог с учетом природно-

климатических особенностей Камчатского края............ 100

Выводы по главе 4...................................................

5 Разработка рекомендаций по регулированию водно-

теплового режима автомобильных дорог Камчатского

121

края..................................................................................

5.1 Обоснование теоретических принципов назначения мероприятий по обеспечению потребительских качеств автомобильных дорог Камчатского края...................... 121

5.2 Регулирование водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края за счет использования теплоизоляционных материалов............................... 122

5.3 Рекомендации по обеспечению эксплуатационной надежности при ремонте и реконструкции автомобильных дорог Камчатского края.................................... 140

5.4 Экономическая оценка предлагаемых решений............ 157

Выводы по главе 5................................................... 159

Заключение Список литературы Приложение А Приложение Б Приложение В

ВВЕДЕНИЕ

1. Актуальность темы исследования. Актуальность проведения исследований обоснована тем, что автомобильные дороги Камчатского края находятся в сложных природно-климатических условиях. Наличие на рассматриваемой территории пучинистых пепловых грунтов, приводит к появлению большого количества деформаций и разрушений дорожных конструкций после каждого цикла промерзания - оттаивания грунта земляного полотна.

Это значительно снижает надежность работы дорожных конструкций, в результате чего сроки службы дорожных одежд сокращаются, а эксплуатационные качества существующих дорог значительно снижаются по сравнению с европейской частью страны и южной частью Дальнего Востока.

Автодорожная сеть Камчатского края является составной частью опорной сети дорог Дальнего Востока, и является важнейшей составляющей для успешной модернизации и развития сети автомобильных дорог Дальневосточного федерального округа (ДФО) в рамках Федеральных целевых программ: «Развитие транспортной системы России (2010- 2015 годы) и «Экономическое и социальное развитие Дальнего Востока и Забайкалья» от которых зависит эффективное социально-экономическое развитие региона.

Территория Камчатского края находится преимущественно в I дорожно-климатической зоне (ДКЗ) вечномерзлых грунтов, но юг полуострова, а также отдельные районы центральной части находятся во II ДКЗ характеризующейся глубоким сезонным промерзанием и избыточным увлажнением.

Ежегодно для восстановления низких транспортно-эксплуатационных характеристик автомобильных дорог, обусловленных неблагоприятной работой водно-теплового режима дорожных конструкций в зоне сезонного промерзания региона, тратятся огромные средства, но при этом проблема остается слабо решенной, а значит актуальной. Это связано с тем, что существующие проектные решения не всегда грамотно учитывают специфику влияния природно-климатических факторов на конструкции автомобильных дорог Камчатского края.

В этой связи возникла необходимость в разработке методики регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края, на основе которой можно усовершенствовать систему проектирования и обеспечить надежность работы дорожных конструкций на протяжении их срока службы.

Решение этой задачи является важной народно-хозяйственной проблемой по повышению надежности функционирования сети автомобильных дорог Камчатского края.

2.Степень разработанности темы диссертации. Существующие методы расчета водно-теплового режима автомобильных дорог проведены преимущественно для районов II ДКЗ Европейской части РФ. Аналогичные исследования в Камчатском крае ранее не проводились. Вместе с тем, специфика природно-климатических условий, наличие пучинистых пепловых грунтов обусловливает особенности, связанные с водно-тепловым режимом, которые необходимо учитывать при проектировании региональных дорожных конструкций.

Проведенные исследования позволяют наблюдать работу водно-теплового режима дорожных конструкций автомобильных дорог края на экспериментальных участках. Такой подход позволит учитывать реальные условия работы автомобильных дорог и использовать их при принятии проектных решений. Проведенные экспериментальные исследования по регулированию водно-теплового режима, явились основой для разработки рекомендаций, которые реализованы на автомобильных дорогах края.

3. Цель и задачи исследования. Целью настоящих исследований является разработка методики регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края в условиях глубокого сезонного промерзания и избыточного увлажнения.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ особенностей природно-климатических условий Камчатского края и дать их инженерную оценку;

2. Произвести дорожно-климатическое районирование Камчатского края, на основе которого осуществить экспериментальные исследования особенностей

работы водно-теплового режима дорожных конструкций на опытных участках;

3. Изучить физико-механические свойства пепловых грунтов Камчатки и разработать методику определения их пучинистых свойств;

4. Уточнить аналитический метод расчета водно-теплового режима дорожных конструкций Камчатского края и разработать методику его регулирования;

5. Теоретически обосновать конструктивные решения и разработать рекомендации по проектированию конструкций автомобильных дорог Камчатского края с учетом природно-климатических особенностей.

4. Научная новизна работы состоит в:

- разработке предложений по дорожно-климатическому районированию Камчатского края с учетом особенностей его природно-климатических условий, и их влияния на водно-тепловой режим автомобильных дорог;

- получении закономерностей изменения влажности, плотности и пучини-стости пепловых грунтов земляного полотна на опытных участках автомобильных дорог края;

- уточнении методики расчета водно-теплового режима автомобильных дорог с учетом специфики природно-климатических условий;

- разработке научных принципов, позволяющих осуществлять регулирование водно-теплового режима дорожных конструкций, положенных в основу региональных дорожных нормативов и методических рекомендаций на проектирование автомобильных дорог Камчатского края.

5. Теоретическая и практическая значимость работы заключается в:

- усовершенствовании дорожно-климатического районирования Камчатского края и выработке проектных решений по назначению оптимальных типов дорожных конструкций;

- уточнении методики расчета водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края с учетом специфики его природно-климатических условий;

- реализации методики регулирования ВТР автомобильных дорог Камчатского края при назначении конструкций автомобильных дорог;

— разработке рекомендаций и конструктивных решений по проектированию дорожных одежд при строительстве и модернизации автомобильных дорог Камчатского края.

6. Методология и методы исследования. Методической базой исследования являются методы факторного анализа на основе фундаментального положения теории вероятностей и математической статистики; методы моделирования температурного поля дорожных конструкций, программные продукты решения прикладных задач.

7. Положения, выносимые на защиту.

— результаты исследований водно-теплового режима на опытных участках сети автомобильных дорог Камчатского края;

— аналитический метод расчета водно-теплового режима автомобильных дорог южной и центральной частей Камчатского края;

— методика регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края в условиях глубокого сезонного промерзания и избыточного увлажнения;

— рекомендации по проектированию и модернизации конструкций автомобильных дорог Камчатского края.

8. Достоверность научных выводов подтверждается применением современных методов расчета, программно-аппаратных средств и современного лабораторного оборудования, уровнем сходимости результатов математического моделирования и измерений фактических величин, большим объемом экспериментальных данных, полученных в результате диагностики транспортно-эксплуатационных характеристик на сети автомобильных дорог Камчатского края. Результаты научных исследований получены с применением методов математического анализа и современных программных продуктов для решения инженерных задач (Excel, Mat lab и др.). Достоверность полученных результатов подтверждена их внедрением в региональные дорожные нормативы, методические рекомендации и технические условия на проектирование, строительство и модернизацию автомобильных дорог Камчатского края.

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в Стандарте организации СТО 01-2012 «Рекомендации по корректировке существующей нормативно-технической базы по проектированию, строительству и ремонту автомобильных дорог в специфических природно-климатических условиях Камчатского края и обеспечению их эксплуатационной надежности за счет использования инновационных решений, материалов и технологий» Краевого государственного учреждения «Камчатупрдор», г. Петропавловск-Камчатский, 2012 г.

Апробация работы. Вклад автора в исследование проблемы.

Результаты исследований докладывались на следующих научно-технических конференциях:

1. Научно-техническая конференция «Инженерные разработки 2012», проводимая Хабаровским региональным отделением «Российской инженерной академии».

2. Всероссийская молодежная научно-практическая конференция «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», проводимая Дальневосточным государственным университетом путей сообщения, 2012 г.

3. УН-я международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасли юга России», проводимая факультетом автомобильных дорог и транспортных сооружений Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

4. Научный межвузовский семинар с участием аспирантов кафедр «Автомобильные дороги» ТОГУ и «Строительное производство» ДВГУПС.

5. Научный семинар министерства транспорта и дорожного строительства Камчатского края по вопросам образования продольных и поперечных трещин в асфальтобетонном покрытии, а также разработке мероприятий по восстановлению технических характеристик автомобильной дороги Петропавловск-Камчатский -Мильково, на участках км 117 — км 152, км 261 — км 288, г. Петропавловск-Камчатский, июль 2012.

6. Научно-практическая конференция «Особенности строительства, ремон-

та и содержания автомобильных дорог в сложных природно-климатических условиях. Инновационные решения, материалы и технологии» в рамках Международной выставки-форума «Дороги России XXI века», г. Якутск, июль 2012 г.

Диссертационная работа является результатом длительных исследований, которые проводились автором при кафедре «Автомобильные дороги» Тихоокеанского государственного университета (ТОГУ). Исследования включают в себя натурные наблюдения на климатических постах и опытных участках автомобильных дорог Камчатского края, в частности, в южной и центральной частях рассматриваемого региона.

В результате чего был накоплен большой статистический материал и проведен непрерывный мониторинг за работой ВТР автомобильных дорог края.

Работа выполнялась в соответствии с отраслевыми и государственным программами по заданию Росавтодора России. В диссертацию вошли материалы проведенных автором исследований в рамках работ по государственному контракту от 07.11.2012 № 99 с Краевым государственным казенным учреждением «Управление автомобильных дорог Камчатского края» на выполнение научно-исследовательской работы по специальному обследованию грунтов при строительстве и реконструкции автомобильных дорог в Камчатском крае. Ряд аналитических решений в области водно-теплового режима сезонно-промерзающих грунтов были получены в результате совместной работы с лабораторией Со-юздорНИИ и Центральной научно исследовательской лабораторией ЦНИИС, с использованием программ по расчету температурного режима земляного полотна ТМ-БЬАТ на основе численных методов. На основании этих исследований разработаны региональные нормативно-технические документы на проектирование и модернизацию автомобильных дорог Камчатского края.

Разработанная в соавторстве, конструкция земляного полотна при проектировании автомобильных дорог региона вошла в СТО 01-2012 «Рекомендации по корректировке существующей нормативно-технической базы по проектированию, строительству и ремонту автомобильных дорог в специфических природно-климатических условиях Камчатского края и обеспечению их эксплуатационной

надежности за счет использования инновационных решений, материалов и технологий»

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных статей, из них 3 рекомендованы ВАК для защиты кандидатских и докторских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения; содержит 148 страниц основного текста, 52 рисунка, 37 таблиц, списка литературы из 152 источников, трех приложений на 13 страницах.

1 Современное состояние проблемы исследования и регулирования водно-теплового режима автодорог в районах избыточного увлажнения

1.1 Аналитический обзор методов наблюдения и исследования водно-теплового режима автодорог

Теория водно-теплового режима автомобильных дорог развивалась в несколько этапов, указанных в работе И.А. Золотаря [25].

Для исследования процессов накопления и перемещения влаги в земляном полотне и явлений пучинообразования сотрудниками ДорНИИ в 1936 г. под руководством Н.В. Орнатского и А.Я. Тулаева были организованны стационарные наблюдения на Карельской, Ленинградской, Каширской, Горьковской, Киевской и Дальневосточной пучинных станциях.

В программу работ станций входили круглогодичные наблюдения за погодой, распределением влажности и температуры по глубине и поперечному профилю полотна, за глубиной промерзания и оттаивания на постоянных постах, уровнем грунтовых вод. Ежемесячно нивелированием опред