Материал: 2316

2.Обосновано функциональное назначение линейного дорожного районирования, связанное с системным представлением взаимодействия элементов внешней среды (ВС) с земляным полотном как элементом геотехнической системы (ГТС-АД) и направленное на формирование комплексов, относительно однородных по характеристикам показателей внешней среды, выявленных по результатам инженерных изысканий на трассе дороги.

3.Реализация многоуровневой концептуальной модели, построенной нами по принципу ранжирования доминирующих факторов природной среды: зональных, интразональных, региональных, позволяет последовательно осуществлять декомпозицию объекта (трассы дороги) на зоны, ЛДК в составе зон, участки с региональными особенностями в составе ЛДК.

4.Разработанный алгоритм объединения линейных дорожных элементов (ЛДЭ), в качестве которых установлено пикетное расстояние, обеспечива-

ет однородность значений показателей интразональных факторов при формировании операционных территориальных единиц (ОТЕ), принятых в качестве базовых компонентов районирования. Для оценки однородности показателей на ОТЕ принят коэффициент вариаций, составляющий не более 0,15 для физических величин и 0,30 для физико-механических. В качестве исходных данных приняты средние значения показателей на пикетах продольного профиля трассы, определенные в результате комплекса инженерных изысканий.

5. В пределах ЛДК при объединении ОТЕ однородность значений показателей по интразональным факторам обеспечивается применением методов

70

геоинформационных технологий, таксонометрического анализа и агрегативного алгоритма классификации, адаптированных нами к условиям инженерного районирования трассы дорог в условиях ММГ. Мерой близости в математической модели классификации принято «евклидово расстояние». В качестве критерия оценки районирования при формировании ЛДК использованы комплексные показатели внутриклассового и межклассового разброса данных, принятые в теории классификации.

6. Практическое использование методики линейного дорожного районирования по данным инженерных изысканий дорог в сложных условиях многолетнемерзлых грунтов в регионах Якутии (Саха) на трех объектах общей протяженностью 47,4 км продемонстрировало научную значимость предлагаемых теоретических и практических решений. В процессе районирования в мо-

делях рассматривались данные по 13−18 показателям, полученным на основе инженерных изысканий в данных районах. До районирования среднее значение коэффициентов вариаций по показателям в целом на дорогах составило: для 1-

го объекта 1,02; для второго − 0,45; для 3-го − 0,65. Значительный разброс данных говорит о разнообразии и сложности условий на трассах, необходимости дифференцированного подхода к проектированию земляного полотна дорог в условиях ММГ. Формирование ЛДК с относительно однородными показателями природной среды позволило снизить средний коэффициент вариаций по

комплексам до 0,2 − 0,35.

7. Адекватность моделей инженерного районирования оценивалась по трем направлениям:

−верификация модели продемонстрировала повторяемость результатов для разных исходных данных по результатам изысканий и разным условиям природной среды;

−сопоставление результатов инженерных изысканий и теоретических данных линейного дорожного районирования свидетельствует о достаточно высокой сходимости по показателям для плотности грунта деятельного слоя, модуля деформации грунта деятельного слоя, объемной теплоемкости грунта в талом состоянии и других параметров. Этот факт подтверждают установленные значения коэффициентов линейной корреляции для разных объектов и

показателей в пределах 0,77 − 0,96;

− проверка значимости коэффициентов корреляции по Z-преобра- зованию Фишера и с использованием метода нулевой гипотезы продемонстрировала , что линейные коэффициенты корреляции по всем показателям значимы при доверительной вероятности 0,95.

71

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА УЧАСТКАХ ЛИНЕЙНЫХ ДОРОЖНЫХ

КОМПЛЕКСОВ

3.1. Принципы формирования рациональных конструктивных решений земляного полотна на ММГ с использованием баз данных

После выполнения процедуры ЛДР на предпроектной стадии в соответствии со схемой (см. рис. 1.2) приступают непосредственно к разработке проектных решений. Эти решения связаны как непосредственно с конструкциями земляного полотна на ММГ, так и с другими структурными элементами дорожной конструкции, в частности с полосой отвода, водоотводными сооружениями и т.д.

Конструкции земляного полотна на участках с региональными особенностями природной среды разрабатывают па основе индивидуальных решений. Конструкции на территориально рассредоточенных участках одного ЛДК, имеющие идентичные климатические и геокриологические характеристики основания земляного полотна, целесообразно назначать однотипными, что позволит сократить многовариантность конструктивных решений земляного полотна по длине дороги, будет способствовать повышению эффективности технологических и организационных решений.

В основе современного конструирования земляного полотна с сохранением ММГ положен принцип оптимального управления выходом гео-

технической системы «ГТС − АД» на сезонно-циклический тепловой режим за счет регулирования геометрии и теплотехнических характеристик отдельных слоев техногенной части (обеспечение стабильности) [138]. В работе [78] Я.С. Крафтом на основе экосистемного подхода определены основные нормируемые параметры земляного полотна:

−геометрия продольного и поперечного профиля;

−физико-механические свойства применяемых материалов (грунтов, геосинтетиков);

−водно-тепловой режим грунтового массива;

−напряженно-деформированное состояние конструкции (грунтового массива земляного полотна).

В конструкциях автомобильных дорог эти функции выполняют совместно структурные элементы: земляное полотно и дорожная одежда. Эффективное управление качеством земляного полотна предполагает управление водно-тепловым режимом и напряженно-деформированным

состоянием (НДС) дорожной конструкции с целью минимизации деформаций, поскольку целевым назначением земляного полотна как

72

инженерной конструкции является обеспечение постоянного во времени пространственного положения дорожного покрытия. Я.С. Крафт [78] исследовал влияние различных композитно-модульных конструкций на устойчивость, прочность и стабильность земляного полотна железных дорог применительно к полуострову Ямал. Наличие различных прослоек в теле земляного полотна оказывает влияние как на его тепловой режим, так и на напряженно-деформированное состояние конструкций, в т.ч. на сопротивление сдвигу в грунтовом массиве. При этом предъявляются определенные требования как к расположению определенных прослоек в теле земляного полотна, так и к характеристикам материалов этих конструктивных элементов [67]. В связи с этим расчеты вариантов дорожной конструкции, включающей земляное полотно и дорожную одежду, должны выполняться в соответствии с действующими нормативными документами [65,106]. В данной работе, в частности в данном подразделе, мы ограничиваемся рассмотрением конструктивных решений по обеспечению тепловой устойчивости дорожных насыпей при соблюдении необходимых условий водоотвода.

Теоретические исследования и инженерная практика для регулирования температурного режима пород в нужном направлении рекомендуют различные мероприятия, позволяющие направленно изменять процессы тепло- и массообмена в дорожных конструкциях, используя естественные ресурсы холода или тепла, в том числе конструктивно-технологические решения и способы производства работ, оказывающие на грунты основания сооружений охлаждающее действие, не допуская их многолетнего оттаивания.

Методы управления НДС грунтового массива земляного полотна включают регулирование интенсивности, длительности и величины внешних воздействий, преобразования метрик (геометрических очертаний и размеров) сооружения, регулирование физико-механических свойств (ФМС) грунтов по элементам массива.

Основу классификации методов и устройств для управления температурным режимом грунтовых массивов составляют уравнения материального, энергетического и эксергетического балансов, отражающих законы сохранения массы и энергии, 1-й и 2-й законы термодинамики.

Уравнение радиационно-теплового баланса [26] с учетом теплообмена между поверхностью и толщей выделенного грунтового массива имеет вид

верхности земли, Вт/м2; LE − затраты тепла на процессы испарения и кон-

денсации влаги на поверхности земли, Вт/м2; P − турбулентный теплообмен между поверхностью земли и приземным слоем воздуха, Вт/м2; В – теплообмен между поверхностью и толщей выделенного грунтового массива, Вт/м2.

В соответствии с этим уравнением для сохранения многолетнемерзлого состояния грунтов основания земляного полотна следует:

−уменьшать поступление на его поверхность прямой Q и рассеянной q солнечной радиации, например, затенением;

−увеличивать альбедо α поверхности, например, окраской в белый

свет;

−увеличивать эффективное излучение, например, снегоочисткой откосов и прилегающей территории;

−увеличивать затраты на турбулентный теплообмен и испарение. Предотвращение инфильтрации летних осадков в тело земляного по-

лотна и фильтрации поверхностных или надмерзлотных вод в его основание также способствует сохранению многолетнемерзлого состояния грунтов основания земляного полотна. Возможные варианты конструктивных решений земляного полотна на ММГ базируются на общей классификации методов управления криогенными процессами в грунтовых массивах, которая впервые была разработана Э.Д. Ершовым [55] и В.А. Кудрявце-

вым [95]. В работах А. А. Цернанта (1984 − 1995 гг.) эта классификация получила дальнейшее развитие и приобрела функциональный (технологический) характер [138].

При проектировании земляного полотна на ММГ в разных регионах необходимо на основе общей классификации учитывать специфику при- родно-климатических условий, опыт строительства и эксплуатации дорог в этих регионах. Недостаточный учет региональных особенностей способствует снижению эксплуатационных качеств транспортных сооружений еще на стадии проектирования. В.Н. Ефименко и его учениками (ТГАСУ) сформирован банк данных, включающий зональные, региональные и интразональные факторы обширной территории Западной Сибири, конструктивные решения дорог на этой территории [56]. Аналогичные работы выполнены в ВолгГАСУ для Астраханской области [23].

Характерным примером данного направления исследований являются работы [74,148]. В работах А.И. Ярмолинского и В.А. Ярмолинского [148] предложены проектные конструкции автомобильных дорог с учетом природных условий Дальнего Востока. Монография В.Г. Кондратьева и С.В. Соболевой [74] посвящена описанию конструктивно-технологических ре-

74