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-

ном цикле дорожной конструкции / В.Н. Шестаков // Вестник СибАДИ: Научный рецензируемый журнал.

– Омск: СибАДИ. - №4(18). Юбилейный выпуск - 2010. – С.51-55.

PREDICTING THE EFFECTIVENESS OF ROAD CONSTRUCTION ON PERMAFROST SOILS

T.V. Bobrova, E.A.Bedrin, A.A. Dubenkov

The problems of integrating the design parameters for the stability of road constructions in permafrost soils (PS), institutional and economic characteristics of the processes of construction and operation of these structures in a single system of indicators to predict and evaluate the effectiveness of decisions. The examples of calculations of the efficiency of road construction on PS for the period of the life cycle using first and second principles of design.

Боброва Татьяна Викторовна – д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Экономика и управление дорожным хозяйством» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Ос-

УДК 624.21

новное направление научных исследований – разработка и совершенствование методов и моделей организации производства в дорожной отрасли. Имеет 145 опубликованных работ.

E-mail: bobrova.tv@gmail.com

Бедрин Евгений Андреевич – канд.техн.наук, доцент, начальник отдела ОАО «Омский СоюзДорНИИ». Основное направление научных исследований - Разработка ресурсосберегающих технологий в дорожном строительстве. Имеет 35 опубликован-

ных работ. E-mail: BEDRIN-EA@yandex.ru

Дубенков Андрей Алексеевич – аспирант Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление исследований – Обоснование конструктивных и орга- низационно-технологических решений при строительстве дорог на многолетнемерзлых грунтах. Имеет 4 опубликованных работы.

E-mail: hrnt@mail.ru

Введение. Существенным, длительно действующим, фактором, влияющим на напряжённо деформирование состояние сталежелезобетонных пролётных строений, является ползучесть бетона. Современные нормы проектирования мостов указывают, что при определении влияния ползучести бетона на напряжённое состояние сталежелезобетонной конструкции следует учитывать изгибную жёсткость железобетонной части конструкции.

Основные теоретические положения. Отметим, что ползучесть бетона, это его свойство неупруго деформироваться при длительном на него силовом воздействии. Если бетонный элемент единичной длины подвергнуть кратковременному силовому воздействию, то он практически мгно-

условно-упругую деформацию (Рисунок 1). Однако если сохранить постоянным это силовое воз-

действие на длительный период, то процесс деформирования бетонного элемента будет продолжаться в течение всего времени его загружения – кривая I (Рисунок 1), т.е., как это принято говорить, деформации элемента войдут в область ползучести.

В случае применения сборной железобетонной плиты проезжей части, то к моменту её включения в совместную работу со стальной балкой

проходит какой-то период времени t1 . Если на-

пряжения в бетоне плиты остались бы постоянными, то его деформации во времени можно ха-

рактеризовать кривой II ( aI bI ), показанной на рисунке 1. Однако практически использовать эту графическую закономерность сложно из-за неопределённости формы начального участка кривой II показанного на рисунке точками.

Учитывая, что на стадии проектирования сталежелезобетонного пролётного строения не возможно предугадать, какими конкретными физическими свойствами будет обладать бетон, нормы проектирования мостов используют теорию старения бетона. Согласно этой теории временной процесс деформирования бетона представляют кри-

вой III ( aIII bIII ), получаемой параллельным

переносом участка (aI bI ) кривой I.

Для оценки влияния ползучести используют нормативное значение деформаций бетона cn,kr ,

принимаемого в зависимости от класса бетона B. На этапе проектирования мостов обычно анализируют напряжённое состояние сталежелезобетонной конструкции на конечной стадии затухания процесса ползучести с учётом предельного значе-

ния удельных деформаций ползучести бетона

или предельную характеристику ползучести

где i – нормативные коэффициенты, учитываю-

щие передаточную прочность бетона на сжатие

( 1), возраст бетона в сут. ( 2 ), приведенную

характеристику поперечного сечения железобетонной плиты (отношение площади поперечного сече-

ния к периметру) в см ( 3 ), относительную влаж-

ность окружающей среды в % ( 4 );

Eb – модуль упругости бетона.

В произвольный момент времени t характеристика ползучести представляет собой отношение

деформаций ползучести kr t к условно-упругим деформациям 0

Для приемлемого совпадения теоретической временной зависимости деформирования ползучести бетона с фактической (кривая II) поднимем кри-

вую III на величину kr t1 []. Параметр , до

установления его фактического значения, принимают равным

Указанный приём положен в основу модифицированной (модернизированной) теории старения бетона.

Всоответствии с рисунком 1 запишем

kr,4 t1,t kr,1 0,t kr,1 t1 kr,1 t1 .(5)

kr,1 0,t 1 kr,1 t1

С учётом (3) преобразуем (5) к виду

kr t1,t kr 0,t 1 kr t1 . (6)

Для определения изменения деформаций пол-

зучести бетона kr t за счёт изменения в нём напряжений b,kr t используем модифициро-

ванную теорию старения, согласно которой

Использование в подынтегральном выражении двух функций зависящих от крайне не удобно. Поэтому установим между напряжениями бетона и характеристикой ползучести зависимость

С учётом (8) после последовательных преобразований представим (7) в виде

С учётом проведенных преобразований представим (7) в виде

b,kr t1 есть полное изменений напряжений пол-

зучести b,kr (Рисунок 2), то при окончании плав-

но-переменного изменения напряжений b,kr

затухание деформаций ползучести (12) его конечное выражение можно представить в виде

Введение

Рассматривается задача об оценке напряжен- но-деформированного состояния при колебаниях вантового моста после обрыва одной наиболее нагруженной ванты. Причина обрыва несущего элемента не обсуждается, считая, что ванта обрывается мгновенно. Для решения этой задачи предлагается использовать два метода: смешанный метод с применением модели складки, предложенной Александровым А.В., и метод конечноэлементного моделирования.

Применение модели складки

Модель складки, предложенная Александровым А.В. [1] для расчета тонкостенных призматических систем с использованием метода перемещений, ординарных тригонометрических рядов и точных решений теории упругости, применена для динамических расчетов вантовых мостов. Пусть вантовый мост состоит из пилона, веера вант и балки жесткости – тонкостенной призматической складки. Балка жесткости имеет шарнирноподвижные опирания на торцах и шарнирно непод-

xizi x z xx 0.

Для решения системы удобно применить метод разложения по собственным формам. Сначала следует решить две задачи на собственные значения отдельно для однопролетной складки без опирания на пилон и на ванты и отдельно для пилона. Задача на собственные значения для складки решается численно для каждой гармоники при отсут-

ствии внешней нагрузки (RiF 0). Для пилона,

например, с постоянным поперечным сечением, собственные частоты и собственные формы вычисляются элементарно. Теперь можно представить амплитуды каждой гармоники складки и обобщенные перемещения пилона рядами по соответствующим собственным формам.

zi ik ψik ; z k ψ k . (2)

Учитывая ортогональность собственных форм, можно получить выражения для коэффициентов этих рядов через вектор усилий в вантах. Исключая из матричного уравнения совместности основные неизвестные складки и пилона с помощью упомянутых выше рядов, получим одно однородное матричное уравнение с неизвестным вектором x усилий в вантах:

блочным матрицей-столбцом ψj .

При обрыве одной ванты будут происходить свободные колебания конструкции, которые можно представить как сумму колебанийсобственных

форм ψj системы без одной ванты с учетом на-

чальных условий:

где коэффициенты B0 j , Bsj суть проекции стати-

ческих перемещений неповрежденной и поврежденной конструкций на пространство собственных

форм ψj поврежденной:

B0k Mk 1ψтk z0k ;

Bsk Mk 1ψтk zsk ;

коэффициент Aj определяется начальной скоро-

стью, вызванной ударом разорванной ванты по конструкции, с использованием теоремы об изменении кинетической энергии и закона сохранения количества движения [3]:

Λ–диагональная матрица собственных значений,

x– диагональная матрица податливости вант,

индексы i , , x указывают соответственно на i - гармонику складки, пилон и ванты. Если предположить, что ванты абсолютно жесткие, тогда матрица

x 0, и определитель матрицы в фигурных скобках уравнения (3) будет подобен определите-

рость продольной волны, E , – модуль упруго-

сти и плотность материала ванты, M j – приве-

денная масса собственной формы и j – ее осредненная проекция на первоначальное направле-

ние продольного усилия N разорванной ванты.