Материал: 2330

Введение

Обследования эксплуатируемых дорог на многолетнемерзлых грунтах (ММГ), особенно во I3 до- рожно-климатической зоне, показывают, что значительная часть из них имеет многолетние затухающие и вновь возобновляемые неравномерные осадки, что приводит к существенному ухудшению условий движения автомобильного транспорта

[1,2,3].

Как показывает зарубежный и отечественный опыт, проблему обеспечения качественного и экономичного строительства дорожных насыпей на мерзлоте, невозможно решить без применения прогрессивных конструктивных и организационнотехнологических решений.

В работе [4] приведен структурный анализ эффективности инноваций по Федеральному дорожному агентству, в котором отмечается, что количественная оценка эффектов от внедрения инноваций, связанных с устройством, ремонтом и содержанием земляного полотна не производится. Авторы обзора объясняют это обстоятельство отсутствием соответствующих расчетных инструментариев для такой оценки. Можно в определенной степени согласиться с данным замечанием, особенно в отношении конструкций земляного полотна на вечно мерзлых грунтах (ВМГ), так как при строи-

тельстве в северных регионах экономическая эффективность и долговечность дорожных конструкций, прежде всего, определяется степенью надежности и устойчивости земляного полотна, т.е. требует интегрирования в единую систему технических и экономических показателей.

Основная часть. В соответствии с современными методами экономической оценки эффективности инновационных мероприятий в дорожном строительстве необходимо учитывать не только капитальные вложения, но и дисконтируемые эксплуатационные затраты на ремонт и содержание дорог, доходы пользователей дорог, а также экологические результаты дорожной деятельности за период срока службы дорожной конструкции [5]. Технико-экономическое сравнение и выбор вариантов конструктивных и организационнотехнологических решений должны производиться на основе прогнозных оценок технического состояния автомобильной дороги.

В настоящее время проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты в РФ осуществляют, руководствуясь преимущественно одним из двух принципов [6,7]:

первый – обеспечение поднятия верхнего горизонта вечномерзлых грунтов (ВГВМГ) не ниже по-

дошвы насыпи и сохранение его на этом уровне в течение всего периода эксплуатации дороги;

второй – допущение оттаивания грунта деятельного слоя в основании насыпи в период эксплуатации дороги при условии ограничения осадок допустимыми пределами для конкретного типа покрытия.

Устойчивость насыпи на многолетнемерзлых грунтах обеспечивается ее высотой и конструктивными решениями, при которых ВГВМ будет сохраняться в критический по балансу тепла год (не более 1 раза в 11 лет) на требуемой (допустимой) глубине, а осадка насыпи в оттаявшие грунты основания не будет превосходить допустимой величины. При этом устойчивость земляного полотна влияет на устойчивость всей дорожной конструкции. Потеря устойчивости дорожной насыпи может привести к полному или частичному (существенное снижение скорости автомобилей) отказу автомобильной дороги.

Теоретические исследования и инженерная практика для регулирования температурного режима пород в нужном направлении рекомендуют различные мероприятия, позволяющие направленно изменять процессы тепло- и массообмена на поверхности земляного полотна, 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 (слои насыпи из переувлажненных глинистых грунтов, торфа, прослойки из скальных грунтов в качестве «проду-

хов» и т. д. [3,8].

Величина осадок земляного полотна зависит не только от состояния и свойств грунтов основания, но и от величины внешней нагрузки, обусловленной главным образом высотой и конструкцией насыпи. Поэтому при проектировании насыпей возникают три основные задачи: назначение высоты насыпи; определение величины осадки; выбор противодеформационных мероприятий.

Противодеформационные мероприятия, проектируемые с целью обеспечения устойчивости и нормальной работы земляного полотна в условиях эксплуатации, разделяют на конструктивные и организационные. К конструктивным мероприятиям относят: увеличение ширины основной площадки земляного полотна, назначаемое в зависимости от расчетной величины осадки грунтов основания; создание запаса по высоте насыпи; устройство берм; применение специальных конструкций насыпей. Организационно-технические мероприятия включают указания, определяющие способы и время производства работ, меры по минимальному нарушению естественного растительно-мохового покрова и др.

Трудности технического прогнозирования состояния дорожных объектов на ММГ связаны с недостаточной и неполной информацией о фактическом состоянии различных дорожных конструкций с применением новых материалов и технологий в межремонтный период. Как правило, оценка эффективности инновационных решений базируется на увеличении сроков службы и снижении затрат

при эксплуатации дороги. Иногда разработчики ссылаются на зарубежные источники или лабораторные испытания. Эти показатели не всегда подкреплены наблюдениями за реальными объектами

вразличных климатических условиях РФ и в дальнейшем должны уточняться, так как при назначении новых конструктивных решений необходимо исключать субъективный подход.

Поскольку затраты на сооружение и эксплуатацию земляного полотна существенно зависят от возможной осадки грунтов основания и тела насыпи в нормативной и научной литературе предлагаются различные методы ее прогнозирования. Прогнозирование – это способ научного предвидения,

вкотором используется накопленный опыт и вырабатывается научно обоснованное суждение о возможном состоянии объекта в будущем. При этом, в отличие от экономического, научно-технический прогноз определяет натурально-вещественное состояние прогнозируемого объекта.

Согласно общей теории прогнозирования [9] процесс прогнозирования можно представить как некоторое операторное преобразование (П) исходной информации об исследуемом объекте в виде ее отображения на будущее, ограниченное глубиной прогноза:

где П –оператор прогнозирования; I – информация об исходном состоянии объекта ; Tуп

–период упреждения прогноза (горизонт прогноза); R – результат прогноза.

Оценка прогноза выполняется в определенных, наиболее вероятных внешних условиях. Из большого количества методов прогнозирования наиболее приемлемы для прогнозирования состояния дорожных конструкций методы комбинированного и структурного прогнозирования, позволяющие найти решение при сохранении функций объекта, но при изменении значений внешних параметров прогнозирования. Например, в качестве моделей структурного прогнозирования можно использовать модели теплофизических режимов в жизненном цикле конструкций [7, 10, 11].

Проверка адекватности моделей реальному состоянию объекта осуществляется с использованием формальных критериев в том случае, если имеются надежные статистические параметры модели и реального объекта. В прогнозировании состояния дорожных объектов на ММГ предлагается использовать также различные методы прямой и косвенной верификации прогнозных моделей, т.е. сопоставление результатов, полученных с использованием разных методов прогнозирования. Для оценки точности прогнозирования используют коэффициент парной корреляции между последовательностями прогнозных значений для разных моделей. Наиболее распространенными оценками точности прогнозирования являются средняя ошибка аппроксимации и средняя квадратическая ошибка прогнозов.

Различные методы прогнозирования теплотехнического режима дорожных конструкций позволяют оценить необходимые объемы земляных работ для компенсации строительных и эксплуатационных

осадок. Расчет дополнительных объемов работ за счет осадки при строительстве по 2-му принципу выполняют по методике, приведенной в [1].

Суммарную осадку S насыпей определяют по формуле

где SО - величина осадки, возникающая при от-

таивании ММГ основания, см; SД - осадка насыпи за счет деформации грунтов деятельного слоя, см;

SС , SЭ - осадки, происходящие соответственно в

строительный и эксплуатационный периоды, см. Процесс формирования осадок насыпей во

времени за счет оттаивания и уплотнения ММГ основания можно описать зависимостями на основе экспериментальных данных для конкретных регионов и типов конструкций дорог. Так, в работе [1] прогнозируемая осадка описывается формулой

где e-основание натурального алгоритма; Т – время осадки оттаявших грунтов основания, годы;

β,f - параметры зависимостей, отражающие

влияние местных условий на осадку оттаивающих грунтов основания (для насыпей от 2 до 4м

=79.000; f = -0.070).

Строительные осадки грунтов основания как на стадии рекогносцировочных изысканий, так и на стадии составления рабочих чертежей для разной высоты насыпи определяют по формулам [7]. В расчетах строительной осадки грунтов следует учитывать время производства работ (лето, зима), технологию и организацию возведения земляного полотна и подготовительных работ.

Для отработки методики техникоэкономического обоснования были выполнены экспериментальные исследования десяти вариантов конструктивных решений земляного полотна на высокотемпературной островной мерзлоте во I3 ДКЗ по первому и второму принципам проектирования. Теплотехнические расчеты конструкций выполнены на основе двух типов моделей: 1-по методике [7], 2- по методике [10]. Выполнена верификация результатов расчета и отобраны для следующих этапов оценки эффективности те конструкции, которые дали положительные прогнозные оценки по двум типам моделей.

В качестве примера оценки эффективности рассмотрим два типа конструкций земляного полотна автомобильной дороги III технической категории. (рисунок 1, а, б) Конструкция дорожной одежды представлена в следующем виде: покрытие из горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона типа “Б” II марки на модифицированном битуме ПБВ 130, толщиной h = 5 см; верхний слой основания из пористого крупнозернистого асфальтобетона II марки на битуме марки БНД 90/130, толщиной h = 7 см; основание из черного щебня,

приготовленного в установке, уложенного по способу заклинки, толщиной h = 8 см; Нижний слой основания из щебеночно-песчаной смеси С-4, толщиной h = 22 см; рабочий слой грунта земляного полотна из крупнообломочного грунта h = 100 см. Характеристики конструктивных слоев земляного полотна приведены на схеме (Рис.1).

Снижение затрат на второй вариант конструкции (1-б) получено за счет:

-уменьшения объема привозных качественных грунтов и открывающихся возможностей использования в нижней части насыпи местных мерзлокомковатых грунтов с сохранением их в мерзлом состоянии с помощью конструктивных методов.

-сокращения сроков строительства и ускорения ввода дороги в эксплуатацию;

-повышения надежности и долговечности конструкции, устраиваемой с сохранением вечной мерзлоты;

-снижения экологического ущерба при строительстве дорог в зоне вечной мерзлоты;

-снижения затрат на ремонтные работы. Распределение строительных затрат во вре-

мени соответствует следующим графикам производства работ.

Вариант 1. Строительство земляного полотна по типу конструкции 1а осуществляют в летнее время из талых грунтов. Заготовку талого глинистого грунта выполняют частично в предшествующий летний период, частично по мере оттаивания из резервов в летнее время. Очистка полосы отвода от леса и кустарников выполняется в зимнее время. Растительный слой сохраняется. Дорожную одежду строят в две стадии: 1-щебеночное основание – через год после строительства земляного полотна и досыпки земляного полотна на величину осадки деятельного слоя под насыпью. Учитывая продолжительный период стабилизации осадки основания насыпи при летнем строительстве земляного полотна, к строительству покрытия приступают только на третьей стадии – в летнее время.

Вариант 2. Сооружение земляного полотна по типу конструкции 1б осуществляют в зимнее время из мерзлых грунтов. В предшествующий летний сезон осуществляют подготовку карьеров со снятием растительного слоя, Заготовку торфа выполняют ранней весной с просушиванием в валах в летнее время. После просушивания осуществляют заготовку торфопесчаной смеси для укрепления откосов. Осенью ведут подготовку карьеров к буровзрывным работам. Очистку дорожной полосы от лесы и кустарника выполняют после промерзания растительного слоя в начале зимы. В этот же период готовят автозимники и землевозные дороги для эксплуатации в зимний период при строительстве земляного полотна. Должен быть обеспечен водоотвод от земляного полотна путем устройства водоотводных канав в летнее время. В зимнее время устраивают специальные мерзлотные валики. Разработку мерзлых глинистых грунтов и скального грунта осуществляют буровзрывным методом. Строительство нижнего слоя основания по этому варианту предусматривается в следующий летний сезон, укрепленных слоев основания и покрытия через год.

Для упрощения расчетов из всех положительных результатов от строительства дороги в данном примере учтен только эффект в сфере транспорта, рассчитанный по формуле

себестоимости одного автомобиле-километра (при сравнении: старая дорога новая дорога), тыс.руб.; D–количество дней эксплуатации дороги в t-м году; L протяженность эксплуатируемого участка дороги, км.

Заключение

Все дорожные проекты при строительстве на многолетнемерзлых грунтах должны рассматриваться и оцениваться с точки зрения их эффективности при сравнении вариантов дорожных конструкций на протяжении срока службы до капитального ремонта. Важную роль при этом играет прогнозирование технического состояния дорожной конструкции в период жизненного цикла и методы организации строительства. При недостаточном объеме статистических данных велика степень неопределенности при оценке устойчивости земляного полотна. Данное обстоятельство требует расширить объемы опытного строительства и длительного наблюдения за состоянием дорог, построенных с использованием различных инновационных решений.

Как альтернативный вариант возможно применение различных методик комбинированного прогнозирования на основе проверки адекватности моделей реальным процессам и их верификации.

Библиографический список

Перетрухин Н.А. Взаимодействие земляного полотна и вечномерзлых грунтов / Н.А. Перетрухин, Т.В. Потатуева. – Томск: Изд-во Том. ун-та. 1987. – 160с.

Бедрин Е.А. Обеспечение устойчивости земляного полотна дорог на многолетнемерзлых грунтах/ Е.А. Бедрин, В.Н.Лонский// Материалы научнопрактической конференции: «Проблемы проектирования, строительства, реконструкции, ремонта и содержания автодорог с применением новых технологий и материалов. Иркутск. 2010. С 2-3

Давыдов В.А. Автомобильные дороги на Крайнем Севере и в зоне Вечной мерзлоты России: учеб. пособие / В.А.Давыдов. – М., 2010. – 218с.

Дингес Э.В. Оценка эффективности инноваций в дорожных организациях / Э.В. Дингес, А.В. Чванов // Научно-технический информационный сборник «Новости в дорожном деле», вып.6. – М.,2009.

– 64с.

Руководство по оценке экономической эффективности использования в дорожном хозяйстве инноваций и достижений научно-технического прогресса. ОДМД / Министерство транспорта РФ, Росавтодор.– М., 2002. – 71 с.

СНиП 2.05.02-85* Автомобильные дороги. Утв. Госстроем СССР.- Введ 1987-01-01. М.: ЦИТП Госстроя СССР 1986, с изменениями №1-№5 , 1987 – 2003г – 56с.

Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в условиях вечной мерзлоты: ВСН 84-89 / Минтрансстрой: Введ. 30.03. 1989. Взамен ВСН 84-75. – М.: Союздорнии, 1990. – 271 с Методические рекомендации по проектированию и строительству земляного полотна в зоне вечной мерзлоты с использованием разрыхленных мерзлых грунтов , сохраняемых в мерзлом состоянии во время эксплуатации (для опытноэкспериментального строительства). ФГУП «СоюздорНИИ», введены распоряжением Минтранса РФ N OC -905-р от 15.10.2003. (в развитие ВСН 84-89).

.Саркисян С.А. Теория прогнозирования и принятия решений / С.А. Саркисян. – М.: Высшая школа, 1977. – 351с.

Завьялов М.А. Математическая модель деятельного слоя грунта, функционирующего как тепловой диод/ Завьялов А.М., Завьялов М.А., Бедрин Е.А. // Омский научный вестник. Омск. № 2(100). 2011. Серия Приборы, машины и технологии. С. 9

– 13.

Шестаков В.Н. Методологический аспект прогнозирования теплофизического режима в жизнен-