2.2. Концептуальная модель и параметры многоуровневого инженерного районирования трассы дороги

Решающую роль при назначении конструктивных параметров земляного полотна автомобильной дороги играет полнота и достоверность информации, полученной в процессе инженерных изысканий автомобильной дороги в соответствии с нормативными документами [91,116,119], определяющими состав и порядок проведения изысканий для выполнения проектных работ.

Для изучения закономерностей взаимодействия различных сооружений с многолетнемерзлыми грунтами (ММГ) существует несколько направлений, основанных на традиционных инженерно-геологических, рас- четно-теоретических и инженерно-физических методах исследования [102]. Инженерно-геологическое направление предоставляет информацию, отражающую текущее состояние геокриологических процессов на трассе дороги, и с этой точки зрения в большей степени отвечает потребностям районирования для разработки проектных решений. На основе этих исследований возможно с достаточной степенью достоверности выделить однородные участки с характерными природными условиями, что чрезвычайно важно при проектировании конструкций, организации строительства, а в дальнейшем при мониторинге состояния и эксплуатации дорог на многолетнемерзлых грунтах.

По аналогии со схемой, приведенной в работе [4], представим геотехническую систему автомобильной дороги (ГТС-АД) как совокупность укрупненных элементов (рис. 2.3):

, ( 2.1)

где ОЗП, ОДО, ОВ – соответственно объекты земляного полотна, дорожной одежды, водоотвода и т.д.

Каждый из этих элементов представлен в системе ГТС разными конструктивными решениями в зависимости от действия факторов внешней среды: окружающей среды (ОС), геологической среды (ГС), природной среды (ПС), ландшафтной среды (ЛС), динамической автомобильной нагрузки (ДАН). В свою очередь, принятые конструктивные решения элементов автомобильной дороги как технической системы, включая технические подсистемы дорожной одежды (ТПС-ДО) и земляного полотна (ТПС-ЗП), будут воздействовать, прежде всего, на элементы геологической и природной среды.

33

ММГ

Рис. 2.3. Схема взаимодействия внешней среды (ВС)

и геотехнической системы автомобильной дороги (ГТС-АД)

Земляное полотно в обобщенном виде может быть представлено в виде совокупности инженерных решений по продольному профилю доро-

ги [41]:

где комплексный показатель {ТПС−ЗП} включает элементы Н − насыпи, НМ − нулевые места, В − выемки, ПВ − полувыемки, ПН-ПВ − полувыем- ки-полунасыпи, ПН − полунасыпи.

Детальные конструктивные решения по земляному полотну и дорожной одежде могут быть приняты только на основе изучения условий местности с привязкой к определенному линейно-дорожному комплексу (ЛДК), сформированному на основе ЛДР. К числу основных природных факторов, оказывающих непосредственное влияние на развитие инженер- но-геокриологических процессов, В.Г. Кондратьев [74] относит метеорологические, геоботанические, гидрологические, гидрогеологические и геокриологические группы факторов. В зависимости от целей районирования в ряде работ группировка исходных факторов отличается от приведенной выше. С.М. Жданова [60], характеризуя пассивные комплексы факторов, влияющих на состояние земляного полотна, делит их на три группы: генетические, природно-климатические и физико-климатические.

34

Группировка факторов для целей инженерного районирования автомобильной дороги представлена на рис. 2.4.

Факторы окружающей среды при инженерном районировании трассы автомобильной дороги в сложных природных условиях

Рис. 2.4. Группировка факторов в системе «Автомобильная дорога−внешняя среда»

Рассматриваемая задача линейного дорожного районирования формулируется следующим образом: разделить совокупность единичных (элементных) участков дороги, заданных набором характеризующих их числовых значений соответствующих признаков на однородные группы. Группировка единичных участков по длине дороги соответствует иерархической процедуре разбиения наблюдений на классы. В физикогеографическом районировании этот математический метод носит название таксономического анализа или таксономического метода [35,131].

35

При использовании данного подхода к районированию каждый элементный участок дороги рассматривается сначала как отдельный таксон, обладающий совокупностью определенных свойств, выражаемых качественными или количественными характеристиками.

Конструктивное решение земляного полотна автомобильной дороги может быть представлено в виде функции от совокупности свойств (природных факторов), свойственных таксону (см. рис. 2.4):

где КР − вариант конструктивного решения; i – топографические условия (пологий склон северной экспозиции, долина ручья, лог, крутой склон северной экспозиции и т.д.), рельеф местности (чередование отметок, ритм и т.д.); j – геоморфологические условия (коренные породы, грунты четвер-

тичных отложений, тип ИГЭ); k − гидрологические условия (интенсивность и продолжительность осадков, тип местности по условиям увлажнения, уровень грунтовых вод, солнечная активность, испарение и т.д.); l – тип земляного полотна по продольному профилю (насыпь, выемка, полу- насыпь-полувыемка, нулевые отметки профиля), градация по высотным отметкам; m – совокупность факторов окружающей среды (продолжительность морозного периода, высота снежного покрова, глубина промерзания грунтов, среднегодовая температура и влажность воздуха и т.д); n – геоботанические факторы (напочвенный покров, растительность, заболоченность и т.д.); p – мерзлотные условия (мощность многолетнемерзлых пород, криогенная структура, льдистость , температурный режим пород, сезонное оттаивание и промерзание); q – сейсмические и тектонические явления (уровень сейсмичности).

Набором этих же признаков можно охарактеризовать участок дороги, предназначенный для реализации определенного конструктивного решения, обозначив его как . Совокупность участков с относительно од-

нородными свойствами можно рассматривать как результат районирования, обозначив его как линейный дорожный комплекс (ЛДК), по аналогии с природным территориальным комплексом (ПТК), принятым в терминологии инженерного районирования.

При моделировании геоинформационных систем (ГИС) используются два основных подхода к описанию пространства [35]:

− подход, основанный на структурировании пространства, т.е. выделении пространственных объектов, указании характера их локализации в пространстве, границ и, в некоторых случаях, взаимосвязей с другими объектами;

36

− подход, основанный на неструктурированном представлении пространства. В этом случае все изучаемое пространство, как правило, представляется множеством ячеек заданного размера и формы, в которых определены усредненные параметры или характеристики, соответствующие этой части пространства. Это могут быть характеристики, которые принимают любые значения из заданного интервала (температура, соленость, количество осадков).

С другой точки зрения авторы [59,81] отмечают наличие разных подходов и методов к районированию по совокупности признаков. Основными особенностями этих подходов является различие в учете признаков природных компонентов:

−одновременный учет всех признаков;

−последовательное введение (чередование признаков) на каждой ступени районирования.

Исходя из этих представлений, задача линейного дорожного районирования формулируется нами следующим образом:

1)выполнить структурирование пространства в районе проложения трассы дороги по природно-климатическим факторам с определением пространственных границ на основе одновременного учета совокупности признаков;

2)выполнить районирование трассы дороги на основе неструктурированного представления пространства, т.е. представления трассы в виде отрезков установленной длины, на которых определены усредненные характеристики показателей, соответствующих этой части пространства (этим отрезкам трассы). При этом предусмотреть одновременный учет совокупности данных характеристик.

Последовательное введение (чередование признаков) от зональных к интразональным, а затем к региональным осуществляется при переходе от задачи структурирования пространства к задаче неструктурированного пространства, учитывающей линейный характер объекта районирования.

Концептуальная модель формирования ЛДК на трассе автомобильной дороги представлена в виде последовательных этапов (рис. 2.5).

На первом этапе дается общая характеристика объекта исследования по данным инженерно-геологических изысканий и климата с учетом предполагаемого взаимодействия внешней среды (ВС) и геотехнической системы автомобильной дороги (ГТС-АД).

37

Этапы

Рис. 2.5. Графическое представление концептуальной модели ЛДР

На втором этапе влияние зональных природно-климатических факторов на сложность дорожного строительства выявляется как функция следующих характеристик компонентов природы, выступающих в качестве аргументов: среднегодовая температура воздуха, продолжительности периода положительных и отрицательных температур, минимальные и максимальные температуры воздуха, количество и сезонное распределение осадков, высота снегового покрова, скорость промерзания грунта и т.д. Границы зон относительно трассы дороги будут определяться как точки пересечения зон действия ближайших метеостанций с трассой дороги. Данные подходы к районированию территорий использованы и достаточно подробно описаны в работах [5,58,59].

Итогом решения по 2-му этапу являются: границы зон (на схеме А, B) с различным комплексом природно-климатических факторов, как правило, охватывающих довольно значительные территории (первый подход по классификации ГИС [35]).

Этапы 3−5 связаны с формированием линейных дорожных комплексов (ЛДК) с учетом интразональных факторов на основе второго подхода к описанию пространства по ГИС [35].

38

Основным структурным элементом классификации в соответствии с теорией районирования принята операционная территориальная единица (ОТЕ) [131], обладающая относительно однородными характеристиками расчетных параметров. В ряде работ ее называют операционной таксонометрической единицей, учитывая название «таксономического метода», положенного в основу многих способов классификации и районирования. Степень однородности показателей в ОТЕ оценивается коэффициентом вариаций. Учитывая, что основными характеристиками интразональных факторов являются показатели состояния грунтового основания, допустимое значение коэффиицентов вариации в составе ОТЕ принималось нами с учетом предельных значений по ГОСТ 25100-2011 и ГОСТ 20522-2012 [36, 37]: по физическим показателям – 0,15, по механическим показателям

− 0,30.

Чтобы исключить излишнюю дробность при районировании линейного объекта протяженность ОТЕ в признаковом пространстве интразональных факторов рассчитывается способом последовательного присоединения к начальному элементу цепочки (ядру) следующих элементов с расчетом средних значений признаков по формируемой ОТЕ [131]. В к а- честве такого «ядра», названного нами линейным дорожным элементом (ЛДЭ), принято пикетное расстояние, исходя из деления трассы дороги в процессе инженерных изысканий. ЛДЭ рассматривается в качестве первичного неделимого элемента, на котором значения показателей условно принимаются как конечные однородные характеристики. Процесс объединения ЛДЭ является эвристическим и заканчивается, как только какойлибо из признаков выходит за пределы установленного порога коэффициента вариаций. Показатели классификационных признаков на ЛДЭ принимаются по средним значениям на пикете. Процесс начинается с начального пикета трассы и заканчивается, как только какой-либо из признаков

выходит за пределы установленного допуска по коэффициенту вариаций − первая ОТЕ создана, переходят к следующему по порядку пикету для формирования очередной ОТЕ.

Совокупность однородных ОТЕ по длине объекта образует линейный дорожный комплекс (ЛДК). Формирование ЛДК – результат решения задачи интеграции: объединения ОТЕ в отдельные классы по сходству признаков.

Общая схема формирования ЛДК и связь параметров районирования представлены на рис. 2.6.

Алгоритм формирования ОТЕ на основе цепочки присоединяемых линейных дорожных элементов (ЛДЭ) представлен на рис. 2.7.

39