Учёт изменений состояния грунтов при проектировании дорожных одежд

Актуальность работы. Протяжённость и состояние сети автомобильных дорог существенным образом влияют на конкурентоспособность промышленного и сельскохозяйственного производства и эффективность развития экономики страны. Именно по этой причине на развитие сети и эксплуатацию существующих автомобильных дорог ежегодно направляются значительные финансовые средства. Вследствие недостаточной надёжности дорожных одежд большая часть выделяемых из бюджета средств уходит на ремонт дорожных покрытий.

Именно по этой причине одной из задач модернизации дорожного хозяйства является существенное повышение долговечности дорожных одежд и увеличение их межремонтных сроков службы.

Одним из важнейших направлений решения этой задачи является комплекс вопросов связанных с детальным учётом водно-теплового режима грунтов земляного полотна.

В практике проектирования автомобильных дорог прочностные и де-формативные характеристики грунтов земляного полотна, материалов основания и подстилающего слоя принято назначать по таблицам, являющимися обязательной составной частью методических указаний по расчёту и конструированию дорожных одежд. Эти, как правило, усреднённые характеристики приведены для территорий, охватываемых той или иной дорожно-климатической зоной, объединяющей районы с различными климатическими условиями и имеющими значительную протяженность. Важно отметить, что объединение таких больших территорий приводит к необоснованному назначению расчётных величин характеристик грунтов земляного полотна, завышая или занижая их в пределах конкретного района строительства, что в конечном итоге снижает качество проектных решений и может приводить к сокращению срока службы. По этой причине в нашей стране, как и во всём мире, наблюдается тенденция к уточнению расчётных параметров земляного 4 полотна, как одного из важнейших направлений совершенствования процесса проектирования дорожных одежд.

Действующие методические указания по проектированию дорожных одежд ОДН 218.046−01 дают возможность учитывать данные регионального научно-практического опыта. Именно такой опыт должен способствовать существенному повышению надёжности покрытий, повышению сроков службы, снижению затрат на их ремонт и содержание и др., что подтверждает актуальность исследования.

Объект исследования — глинистые грунты земляного полотна автомобильных дорог.

Предмет исследования — состав и свойства глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог, методы обоснования расчётных значений характеристик прочности и деформируемости для проектирования нежёстких дорожных одежд.

Методы исследований — теоретические и экспериментальные, включающие математическое моделирование.

Цель работы — повышение качества проектирования дорожных одежд за счёт учёта региональных особенностей и сезонных изменений состояния земляного полотна автомобильных дорог.

Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы следующие задачи:

1. Разработать модель изменения модуля упругости земляного полотна под влиянием климатических факторов.

2. Провести комплекс натурных и лабораторных экспериментов по изучению свойств наиболее распространенных глинистых грунтов на территории Белгородской области.

3. Установить закономерности изменения характеристик прочности и деформируемости глинистых грунтов земляного полотна в зависимости от их влажности.

4. Уточнить дислокацию границ III — IV дорожно-климатических зон, детализировать районирование региона исследования и выполнить территориальное нормирование расчётных значений влажности, прочности и деформируемости глинистых грунтов земляного полотна для выделенных дорожных районов.

Научная новизна работы заключается в изучении связей и закономерностей, характеризующих состав и свойства глинистых грунтов, способствующих обеспечению качества проектирования и, соответственно, экономичности эксплуатации транспортных сооружений.

1. Установлены расчётные параметры грунтов, широко распространённых на территории Белгородской области.

2. Показана необходимость учёта региональных климатических и геологических особенностей территории при прогнозировании процессов развития повреждений дорожных покрытий.

3. Предложена эмпирическая зависимость для прогнозирования изменений влажности на основе изменений температуры воздуха.

4. Уточнена схема дорожно-климатического районирования территории Белгородской области.

Практическая значимость и реализация работы.

Практическая значимость состоит:

— в уточнении дислокации границ III и IV дорожно-климатических зон, детализировано районирование территории Белгородской области для целей проектирования автомобильных дорог.

— в территориальном нормировании расчётных значений характеристик глинистых грунтов, учитывающем природно-климатические условия Белгородской области для организаций, проектирующих автомобильные дороги.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается необходимым объёмом статистики, применением современных методов измерений и испытательного оборудования, обеспечивающих достаточный уровень надёжности представленных результатов и достоверность научных положений.

Апробация работы: Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на конференциях и семинарах: Международная научно-практическая конференция «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в стройиндустрии» (г. Белгород 2007 г.) — Всероссийская научно-практическая конференция «Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения» (г. Казань 2008 г.) — Международная научно-техническая конференция молодых учёных и аспирантов «Современные технологии строительства и эксплуатации автомобильных дорог» (г. Харьков 2008 г.) — Международная научно-практическая конференция «Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений» (г. Белгород 2009 г.) — 68— научно-методическая и научно-исследовательская конференция МАДИ (г. Москва 2009 г.) — Международная научно-практическая конференция «Научные исследования, наносистемы и ресурсосберегающие технологии в промышленности строительных материалов (XIX научные чтения)» (г. Белгород 2010 г.) — Международная научно-техническая конференция молодых учёных БГТУ им. В. Г. Шухова (г. Белгород 2010 г.), а также на заседаниях кафедры «Строительство и эксплуатация дорог» МАДИ (2006;2010 г.).

Личный вклад автора заключается в выполнении теоретических и экспериментальных исследований и состоит:

— в получении зависимости для прогнозирования влажности грунта земляного полотна;

— в уточнении схемы дорожно-климатического районирования территории Белгородской области;

— в проведении и анализе результатов полевых и лабораторных исследований состава и свойств глинистых грунтов автомобильных дорог Белгородской области;

— в нормировании расчётных значений влажности, прочности и деформируемости грунтов, в установлении зависимостей Е, <р, С = /(Ж) глинистых грунтов для проектирования дорожных одежд.

Структура диссертации. Во введении приведена общая характеристика работы.

Первая глава содержит аналитический обзор результатов исследований, характеризующих изменение состояния грунтов в условиях сезонных колебаний температуры и влажности. Анализ отечественных и зарубежных исследований водно-теплового режима позволил выявить принципиальные подходы к назначению величины влажности и расчётных характеристик грунтов при проектировании дорожных одежд в конкретных природно-климатических условиях.

Вторая глава посвящена необходимости учёта сезонных изменений состояния грунтов при оценке влияния климатических условий на работу покрытия.

В третьей главе представлены объекты и методика проведения экспериментальных исследований. Приведена характеристика участков дорог, выбранных для обследования на территории Белгородской области.

В четвёртой главе представлен анализ результатов полевых и лабораторных исследований грунтов земляного полотна. Представлены математические зависимости для прогнозирования влажности грунта и получения характеристик прочности и деформируемости, коэффициентов теплопроводности грунтов земляного полотна автомобильных дорог на территории Белгородской области.

В пятой главе приведена характеристика дорожных районов, выделенных на территории Белгородской области. Рекомендованы значения расчётных характеристик влажности, прочности и деформируемости глинистых грунтов земляного полотна для проектирования дорожных одежд. Выполнено экономическое обоснование рекомендаций, представленных в диссертации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Предложена математическая модель прогнозирования модуля упругости земляного полотна с учётом влияния климатических условий.

2. На основе экспериментальных исследований установлены зависимости прочности и деформируемости глинистых грунтов в зависимости от относительной влажности.

3. Уточнены расчётные характеристики состояния глинистых грунтов для проектирования дорожных одежд применительно к выделенным в работе дорожным районам.

4. Экономический эффект от внедрения рекомендуемых значений характеристик влажности, прочности и деформируемости глинистых грунтов для расчёта нежёстких дорожных одежд по условию прочности в Белгородской области, подсчитанный по дисконтируемым строительным и эксплуатационным затратам в уровне цен 2010 г., составляет около 750 тыс. руб. на 1 км автомобильной дороги.

ГЛАВА 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.

5.1. Характеристика дорожных районов, выделенных на территории Белгородской области.

Основоположником существующего дорожно-климатического районирования был A.B. Гербурт-Гейбович, разработавший в 1941 г. первую картосхему дорожно-климатических зон, которая явилась отправным пунктом для дальнейших исследований влияния природно-климатических факторов разных районов нашей страны на выбор оптимальных проектных решений и соответственно на надежность и долговечность работы инженерных сооружений дорожного комплекса.

Многими учёными неоднократно отмечалось, что существующее до-рожно-климатическое районирование не в полной мере учитывает природно-климатические и фенологические особенности отдельных территорий России [10,38,40,57, 67,82,85,112,141,142] и многие др.

Исследования по уточнению существующего дорожно-климатического районирования выполнены для многих регионов России и стран СНГ. Например, В. М. Сиденко выполнено районирование территории Украины [11], засушливой зоны бывшего СССР, включающей Туркменистан, Узбекистан, Казахстан, и Таджикистан [112], А. И. Ярмолинским — территории Дальнего Востока и о. Сахалин [118,138,140], специалистами ТГАСУ (под руководством профессора В.Н. Ефименко) — территории Западной Сибири [1,3,4, 42, 44], М. М. Девятовым, C.B. Алексиковым и др. [37] выполнено районирование нижневолжского региона, О. Н. Гулько — территории Крайнего Севера [35], М. С. Барышниковым — территории Тюменской области [5], B.C. Боровиком, А. Г. Кругловым выполнено районирование территории Астраханской области [8,9].

Многие авторы дорожно-климатичеекое районирование выполняют на основе анализа комплекса групп факторов: зональных, интразональных и региональных [1, 3,112].

К группе зональных факторов относят климатические условия, включающие средние, максимальные и минимальные температуры воздуха, количество выпадающих осадков и величину испарения с земной поверхности, высоту снежного покрова, глубину и скорость промерзания грунтов и др.

К группе интразональных отнесены природные факторы, которые могут существенно изменяться в пределах территории каждой зоны: рельеф местностигранулометрический состав грунтов, в значительной мере определяющий их физико-механические свойстваколебания уровня грунтовых вод и другие [3].

Группа региональных включает природные и антропогенные факторы среды. К природным региональным факторам можно отнести: распространение грунтов особых разновидностей, отличающихся по своим свойствам от обычных грунтов того же гранулометрического состава вследствие генетических и морфологических особенностей, а также наличия минеральных или органических примесейраспространение грунтов, находящихся в особом естественном состоянии, затрудняющем их использование как материала или оснований сооруженийрегиональные геологические явления.

Существующее зональное деление относит территорию Белгородской области к III и IV дорожно-климатическим зонам. Граница III и IV до-рожно-климатических зон, соответствующая линии перехода лесостепной зоны со значительным увлажнением грунтов в отдельные годы к степной с недостаточным увлажнением грунтов [116], проходит через областной центр Белгородской области г. Белгород и простирается в направлении на юго-восток (рис. 5.1).

За основу разделения изучаемой территории при дорожноклиматическом районировании принята таксономическая система: зона — подзона район. При этом дорожный район представляет собой генетически однородную территорию, характеризуемую типичными, свойственными только ей климатом, геологией, рельефом местности и другими физическими условиями. Внутри дорожного района однотипные дорожные конструкции (земляное полотно и дорожные одежды) должны характеризоваться однородной прочностью (способностью выдержать нагрузки без нарушения их сплошности) и устойчивостью (способностью изменять свое состояние так, чтобы связанные с этими изменениями деформации не превышали допустимые) [112].

Для выделения дорожно-климатических зон и подзон на территории Белгородской области были приняты к анализу следующие факторы: зональные — увлажнение территории, среднегодовая температура воздуха, высота снежного покрова и распространение растительностиинтразональные — граница текучести и граница раскатывания грунтов, процентное содержание песчаной, пылеватой и глинистой фракций, региональные — распространение грунтов, включающих прожилки или включения карбонатов, наличие выходов меловых пород на склонах. При этом применяли значения многолетних данных метеорологических станций Белгородского региона за период не менее 20 лет.

На основе обобщений и анализа основных географических комплексов, влияющих на срок службы автомобильных дорог на территории Белгородской области, выделено 3 дорожных района в III дорожно-климатической зоне, в пределах IV дорожно-климатической зоны — 1 дорожный район, характеристика которых приведена в таблице 5.1 и на рис. 5.2[15].

Для характеристики увлажнения отдельных дорожных районов на территории области использован гидротермический коэффициент С.Д. Селяни-нова (ГТК), значения которого, согласно [1], можно ориентировочно распространить и на дорожно-климатические зоны: II — ГТК > 1,40- III — ГТК = 1,00−1,40- IV — ГТК = 1,00−0,50.

Коэффициент Селянинова рассчитывали по следующей формуле [41]:

5.1) где г — сумма осадков в миллиметрах за период с температурой воздуха выше 10 °C;

Т — сумма температур воздуха в градусах за тот же период.

Дорожный район III.Р. 1 соответствует бассейнам рек Ворскла и Псел. Граница с районом Ш. Р.2 проходит вблизи населенных пунктов Борисовка, Томаровка, Яковлево, Строитель, Прохоровка (рис. 5.2). Характеризуется увлажненностью (ГТК Селянинова 1,22−1,33), почти полным отсутствием выходов меловых пород на склонах речных долин, оврагов, балок. В почвенном покрове преобладают ареалы черноземов типичных, выщелоченных и опод-золенных, которые чередуются с ареалами темно-серых лесных почв. Характеризуется островным распространением широколиственных лесов и дубрав среди открытых степных пространств, в прошлом покрытых лу-гово-разнотравной растительностью.

Дорожный район Ш. Р.2 занимает почти половину территории Белгородской области и включает в себя бассейны рек Северский Донец, Сейм и Оскол. Граница этого района на юго-востоке проходит непосредственно по рекам Полатовка, Валуй и Оскол. К нему приурочена ось наибольших поднятий воронежской антеклизы, вблизи которой зафиксированы максимальные абсолютные высоты Белгородской области: 270 — 277 м. Отличается от района Ш. Р.1 меньшей увлажненностью (ГТК Селянинова 1,05 — 1,19). На его территории можно повсеместно встретить выходы меловых отложений. Грунты, залегающие на данной территории — в основном суглинки либо карбонатные, либо с отдельными включениями мела. В северо-восточной части района большие площади заняты песками, но не аллювиальными, а древнего водно-ледникового происхождения. Пески эти отложены талыми водами Днепровского ледника в первой половине четвертичного периода.

Дорожный район III.P.3 находится на востоке и северо-востоке Белгородской области. Здесь еще в большей мере распространены выходы ме-ло-мергельных пород мезозоя. В ходе геологического развития данного района чехол кайнозойских отложений оказался истонченным, а в ряде мест и вовсе отсутствует. Удалению осадочного чехла в немалой степени способствовала выпахивающая деятельность Днепровского ледника и размыв отложений талыми водами. Ледник оставил после себя своеобразную геологическую породу — валунный суглинок, или морену. Характеризуется увлажненностью ГТК Селянинова 1,00 — 1,05, типичными выщелоченными черноземами с серыми и темно-серыми лесными почвами. Значительные площади занимают смытые почвы склонов [13].

Дорожный район IV.P.1 на юго-востоке Белгородской области в геологическом отношении соответствует острогожскому поднятию свода воронежской антеклизы. Четвертичные покровные отложения суглини-сто-глинистого механического состава. Увлажненность этой территории, оцениваемая гидрометрическим коэффициентом Селянинова, составляет 0,86 — 1,00. Основной фон почвенного покрова составляют черноземы обыкновенные, кроме них распространены черноземы солонцеватые и на больших площадях — смытые черноземы. Ареалы засоленных почв генетически связаны с соленосными породами палеогена.

В процессе исследований установлено, что при анализе геокомплексов, характерных для изучаемой территории, границы дорожно-климатических зон могут существенно смещаться относительно отраженных в СНиП 2.05.02−85 [116].

Сравнивая результаты уточнения границы III и IV дорожно-климатических зон с ее дислокацией по СНиП 2.05.02−85 (п. 6.3. приложение 1) [116], можно отметить, что положение границы III и IV дорожно-климатических зон зафиксировано восточнее рекомендуемой СНиП 2.05.02−85 на 110−140 км.

Рис. 5.1. Схема дорожно-климатического районирования территории Белгородской области по СНиП 2.05.02−85.

Рис. 5.2. Схема дорожно-климатического районирования территории.

Белгородской области: III, IV — дорожно-климатические зоныР — подзона по типу рельефа (равнинный) — 1 — 3 — номера дорожных районов.

Характеристика основных геокомплексов дорожных районов на территории Белгородской области.

Индекс дорожного района Дорожно-климатическая зона Населенные пункты Характеристика дорожного района тип рельефа грунты Увлажненн ость ГТК Селянинова Среднегодовая температу ра воздуха.

111.Р.1 Зона лесостепи со значительным увлажнением в отдельные годы Грайворон Готня Красная Яруга равнинный Суглинки тяжёлые пылева-тые, лессовидные суглинки, глины пылеватые 1,22−1,33 +5,9°С.

Ш. Р.2 Белгород Губкин Старый Оскол Короча Великое Лёсс и лессовидные суглинки, суглинки лёгкие и тяжёлые пылеватые, глины пылеватые, мел трещиноватый белый 1,05−1,19 +6,0 °С.

Ш. Р.З Алексеевка Бирюч Мело-мергельные породы, суглинки карбонатные, лёгкие и тяжёлые, глины с прожилками и включениями карбонатов 1,00−1,05 +6,3 °С.

1У.Р.1 Степная зона с незначительны м увлажнением Вейделевка Ровеньки Валуйки Мело-мергельные породы, лессовидные суглинки, суглинки тяжёлые пылеватые, глины с прожилками карбонатов 0,86−1,00 +6,6 °С.

5.2. Уточнение расчётных характеристик глинистых грунтов земляного полотна для проектирования дорожных одежд.

Для выделенных дорожных районов на территории Белгородской области расчётные параметры грунтов, необходимые для расчёта нежёстких дорожных одежд по условию прочности применительно к участкам автомобильных дорог, расположенных на местности 1 типа по условиям увлажнения [116], устанавливали в зависимости от величины расчётной влажности [95].

Для определения расчётных значений влажности применяли зависимость (1.2), предложенную профессором В. Н. Ефименко, которая позволяет учитывать температурно-влажностный режим отдельных дорожных районов. Предварительные расчёты по данной зависимости показали возможность её применения для условий Белгородской области. При этом применяли значения многолетних данных метеорологических станций Белгородского региона о температуре воздуха (не менее 20 лет). Статистическая обработка метеорологических переменных обеспечивала получение расчётных значений влажности, прочности и деформируемости глинистых грунтов для проектирования нежёстких дорожных одежд при уровне надёжности Р = 0,95 (таблица 5.2).

Согласно [41], точность определения в значительной степени зависит от правильности определения расчётной суммы отрицательных температур воздуха (градусо-суток) за октябрь — декабрь месяцы.

Расчётную сумму отрицательных градусо-суток устанавливали на основе следующей зависимости [1]: вр=вср-1-ст, (5.2) где 0ср — среднемноголетняя сумма отрицательных градусо-сутока — среднеквадратичное отклонение- - коэффициент нормированного отклонения, принимаемый при заданном уровне надежности Кн [95].

Рекомендуемые значения характеристик грунтов обоснованны и назначены с максимальным учётом природно-климатических условий территории исследований, что будет способствовать проектированию надёжных конструкций дорожных одежд, не требующих дополнительных расходов на ремонт в процессе их эксплуатации.