2567

ISSN 2079-7060

Министерство образования и науки РФ Федеральное дорожное агентство

Российская академия архитектуры и строительства наук (РААСН) Правительство Омской области

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

РАЗВИТИЕ ДОРОЖНО-ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА И СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых

Книга 1

Омск – 2011

СЕКЦИЯ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ,ТРОИТЕЛЬСТВО

ИЭКСПЛУАТАЦИЯАВТОМОБИЛЬНЫХДОРОГ,МОСТОВ

ИТРАНСПОРТНЫХТОННЕЛЕЙ

УДК 625.03

УЧЁТ ДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ НА ДОРОЖНУЮ КОНСТРУКЦИЮ ВО ВРЕМЯ ДВИЖЕНИЯ, НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

В.В. Акулов, магистрант; А.С. Конорев, м.н.с.

Ростовский государственный строительный университет, г. Ростов-на-Дону

Начиная с 01.01.2001 года и по сей день автомобильные дороги в Российской Федерации проектируются всоответствии с ОДН 218.046-01 [1]. В соответствии с данным документом все дороги проектируются с учетом воздействия на них расчетного автомобиля. Расчетный автомобильусловная транспортная единица, параметры которой (нагрузка на колесо, давление на покрытие, диаметр круга, равновеликого площади передачи давления взоне контакта) используют в расчетах дорожной одежды и ее элементов. Но таккак по дорогам Российской Федерации передвигаются автомобили различных типов, с характеристиками не схожими с расчетным автомобилем, тодля того, чтобы какможно полнее учесть их влияние надорожную конструкцию при проектировании дорожной одежды используют суммарные коэффициенты приведения транспортногосредства красчетной нагрузке.

В соответствии с нормативным документом суммарный коэффициент приведения определяют в следующей последовательности [1]:

-всоответствиис[1,2]назначаютрасчетнуюнагрузку(Qрасч)иопределяют

еепараметры:расчетноеудельноедавлениеколесанапокрытие(Р)идиаметр, приведенныйккругуотпечаткарасчетногоколесанаповерхностипокрытия(D);

-для каждой марки автомобилей в составе перспективного движения по паспортным данным устанавливают величину номинальной статической нагрузки на колесо для всех осей транспортного средства (Qn);

-умножив полученные значения Qn и расчетную нагрузку Qрасч на динамический коэффициент (Кдин), принимаемый равным 1,3 находят величины номинальных динамических нагрузок (Qдn) от колеса для каждой оси и величину расчетной динамической нагрузки (Qдрасч);

-вычисляют коэффициент приведения номинальной нагрузки от колеса каждой из осей Sn к расчетной;

-вычисляют суммарный коэффициент приведения нагрузки от рассматриваемого типа автомобиля к расчетной нагрузке. Величина

3

рассчитанного суммарного коэффициента приведения оказывает большое влияние на назначение таких параметров как, минимальный требуемый модуль упругости конструкции (1), так же эта величина влияет на прочность материала монолитного слоя при многократном растяжении при изгибе.

где SNp - суммарное расчетное число приложений нагрузки за срок службы дорожной одежды, определяемое по формуле (2);

с - эмпирический параметр.

В свою очередь величина SNp зависит от величины суммарного коэффициента приведения () воздействия на дорожную одежду транспортного средства m-й марки к расчетной нагрузке Qдрасч

(2)

Sm сум определяется в соответствии с (3).

(3)

где n - число осей у данного транспортного средства, для приведения которого к расчетной нагрузке определяется коэффициент;

Sn - коэффициент приведения номинальной динамической нагрузки от колеса каждой из n осей транспортного средства к расчетной динамической нагрузке, определяемый по (4).

(4)

где Qдn - номинальная динамическая нагрузка от колеса на покрытие (5); Qд расч - расчетная динамическая нагрузка от колеса на покрытие (6); p - показатель степени, принимаемый равным:

4,4 - для капитальных дорожных одежд,

3,0 - для облегченных дорожных одежд,

2,0 - для переходных дорожных одежд.

(5) (6)

где Кдин - динамический коэффициент, принимаемый равным 1,3; Qn - номинальная статическая нагрузка на колесо данной оси; Qрасч – расчетная нагрузка.

Подставив выражения (5) и (6) в выражение (4) получим(7):

(7)

4

В результате динамический коэффициентсокращается, то есть при определении суммарногорасчетного числа приложения нагрузки динамичность нагружения не учитывается. Это приводитк занижениютаких параметров как:минимальный требуемыйобщий модуль упругости конструкции; величины суммарного расчетного числа приложения нагрузки. В результате чего уже на стадии проектирования дорожной одежды допускаются ошибки.

Кроме того, как показали исследования [3,4], реальные величины динамического коэффициента зачастую превышают установленное в ОДН 218.046-01 значение, равное 1.3, и в зависимости от ровности покрытия проезжей части, скорости движения и конструктивных особенностей транспортного средства могут достигать 2-2.5.

Сотрудниками ДорТрансНИИ РГСУ был разработан метод расчета суммарного коэффициента приведения с использованием программного комплекса «Универсальный механизм» (UM) предназначенного для автоматизации процесса исследования механических объектов, которые могут быть представлены системой абсолютно твердых или упругих тел, связанных посредством кинематических и силовых элементов. К объектам такого типа относятся, в том числе и автомобили. А так же разработанной

вДорТрансНИИ РГСУ программы ДАД «Динамика автомобиль – дорога»,

воснове которой заложена модель движения автомобиля по поверхности дорожного покрытия (рисунок 1).

X

Рис. 1. Модель взаимодействия «автомобиль-дорога»

Для проведения численного экспериментапо выявлениювеличин нагрузок, передаваемых покрытиюавтомобильной дороги при проезде по ней грузовых транспортных средств (с цельюопределения динамических коэффициентов) были разработаны модели, наиболее распространённых в РФ грузовых транспортных средств (рисунок. 2). Модели транспортных средств были разработаныс помощью программы описания объекта Uminput,

5

предназначенной для создания, корректировки систем тел, а такжедля автоматизированного синтеза уравнений движения и их компиляции.

Предлагается для каждого автомобиля, в составе перспективного транспортного потока, рассчитывать динамический коэффициент с учетом ровности покрытия проезжей части и параметров транспортного потока (скорости движения, полной массы автомобилей).

Рис. 2. Наиболее распространенные виды транспортных средств на автомагистралях Юга России, для которых были созданы описывающие их математические модели

Рассчитанные динамические коэффициенты предлагается использовать для расчета коэффициентов приведения номинальной динамической нагрузки от колеса каждой из осей транспортного средства к расчетной динамической нагрузке (8).

(8)

где, – рассчитанный с помощью программного комплекса

«Универсальный механизм» и программы ДАД динамический коэффициент транспортного средства.

Рассчитанные таким образом коэффициенты приведения транспортных средств дают более полную информацию о динамическом воздействии транспортных средств на дорожную конструкцию.

Библиографический список

1.Отраслевые дорожные нормы. ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» ФГУП «Союздорнии» 2001.

2.ГОСТ Р 52748-2007 «Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения и габариты приближения» ООО "Дорожный инженерный центр" 2008.

3.Отчет по теме НИОКР «Разработка методики оценки динамических перегрузок эксплуатируемых дорожных покрытий для расчета остаточного срока их службы» Контракт № ОПО 47/437-1, Ростов-н/Д, 2008. – 152 с.

6

4. Отчет по теме НИОКР «Разработка метода оценки динамического коэффициента воздействия транспортных средств на эксплуатируемых автомобильных дорогах с учетом фактической ровности дорожных покрытий» Гос. контракт № ПО 12/112, Ростов-н/Д, 2006. – 170 с.

Научный руководитель д-р техн. наук, профессор Е.В. Углова

УДК 624.139

КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ДОРОЖНЫХ НАСЫПЕЙ В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

Е.А. Бедрин, канд. техн. наук, доцент; А.А. Дубенков, студентка Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, г. Омск

Мировая тенденция развития производительных сил все более отчетливо ориентируется на северные территории. Север играет важную роль и в жизни нашей страныПромышленное освоение новых районов немыслимо без развитой сети автомобильных дорог. Анализ нормативнотехнической литературы и отечественного практического опыта эксплуатации, автомобильных дорог показывает, что существующие конструктивнотехнологические решения сооружения дорожных насыпей и их технико-экономическое обоснование на вечной мерзлоте, как правило, не обеспечиваются устойчивостью на мерзлоте.

Так по действующим техническим нормативам строительство обходится довольно дорого (что объясняется северным удорожанием работ, обычно в 2,5 и более раз), и при этом осуществляется, как правило, медленными темпами, а последующая устойчивость дорожных насыпей на мерзлоте, не смотря на нормативное исполнение, оставляет желать лучшего.

Например, рассмотрим более подробно сложившуюся ситуацию при строительстве автомобильной дороги «Чита – Хабаровск».

В разработанных проектах для 1-й стадии строительства (возведение з/п) а/д «Чита – Хабаровск», предусматривалось возведение насыпей в зимний период из предварительно разрыхлённых скальных грунтов на полную высоту, на промёрзшее основание. Строительную осадку при этом назначали в соответствии с п.3.68 ВСН 84-89, где рекомендуется величину осадки при составлении проектной документации, принимать по справочной таблице в зависимости от свойств грунтов основания (относительной влажности и консистенции) в талом состоянии. В соответствии с действующими нормативами, проектная величина осадки предусматривалась от 10 до 25см. По результатам промеров в конце сентября, т.е. в период максимального оттаивания деятельного слоя, при сопровождении строительства характерного участка дороги на км 684км

7

693, было выявлено следующее состояние двух одинаковых по грунтовым условиям участков:

-насыпь отсыпанная в апреле-мае на промороженное основание, из твёрдомёрзлых грунтов, на всю ширину по низу, высотой 1,5-2,0м, расклиненная по верху скальным грунтом, дала осадку в 20см;

-насыпь отсыпанная из скального грунта в конце июня, июле и августе на растеплённое основание, на всю ширину понизу, высотой 1,5- 2,0м дала осадку до 70см.

Поставленная государственной программой строительства дороги «Амур» задача обеспечения скорейшего сквозного проезда до 2003г обязывала для сокращения сроков строительства предусматривать в проектах круглогодичную отсыпку земляного полотна. В результате была предложена круглогодичная двухэтапная отсыпка дорожных насыпей. На первом этапе – технологический проезд на всю ширину земляного полотна, для обеспечения проезда построечного транспорта и транзитного движения, а также обеспечения задела и стабилизации земляного полотна. На втором этапе – досыпка земляного полотна до проектных отметок с учётом суммарной осадки (от веса насыпи, построечного и транзитного транспорта и собственного веса оттаивающего грунта основания) в зависимости от периода отсыпки каждого этапа. При этом считалось, что летняя отсыпка с учётом суммарной осадки ускорит стабилизацию земляного полотна и снизит последующую эксплуатационную осадку. Например, ГНПП «Тындинская мерзлотная станция» по результатам обследования работы земляного полотна и его элементов на дороге «Амур», участок км 943км 979 установила, что стабилизация осадок до уровней предусмотренных п. 6.54 СНиП 2.05.02-85, в насыпях, отсыпанных в летний период, практически заканчивается в после построечный год. Зимняя отсыпка за счёт последующего уплотнения тела и части оттаивающего основания насыпи, удлиняет этот период до 4-5 лет. Если земляное полотно по второму принципу проектирования (с последующим допущением частичного оттаивания грунта основания), возводилось на предварительно промороженном основании, то при этом временно (на 2-3 года) устанавливался «псевдо» (ложный) мерзлотный режим, т.е. замедленного на величину полученной зимней «подзарядки» холодом, последующего оттаивания мёрзлого основания. Это, одновременно, затягивает и время прохождения значительных осадок оттаивания, что приводит к повреждению устраиваемой дорожной одежды, не рассчитанной на сверхнормативную осадку.

Ввиду этого на промороженном основании (деятельном слое) желательно возводить насыпи преимущественно по первому принципу проектирования. Снижение же высоты насыпи, при втором принципе

8

проектирования на 20-30% по сравнению с первым, при летней или зимней реализации второго принципа, как правило, с лихвой перекрывается значительным сверхнормативным возрастанием строительной или эксплуатационной осадки талого или оттаивающего основания (на которую необходимо повышать запас высоты отсыпки насыпи). Таким образом, заявляемой экономии от снижения объёма земляных работ при реализации второго принципа проектирования, из-за резкого (в 2-3 раза) возрастания величины строительной или эксплуатационной осадки, в действительности не происходит. Тем не менее, такая «ложная» - экономия, без учёта сверхнормативного возрастания величины осадок, учитывалась и продолжает учитываться в технико-экономических сравнениях вариантов при проектировании в условиях вечной мерзлоты. В результате федеральная автомобильная дорога «Амур», была принята к строительству по «экономичному» второму принципу проектирования.

Руководящая отметка дорожных насыпей на вечной мерзлоте, возводимых с 1995г., для второго принципа проектирования (согласно теплотехнических расчётов, по методике ВСН 84-89), составила – 1,87м. Сразу начавшиеся значительные, сверхнормативные осадки строящихся насыпей, заставили проектировщиков добавочно (сверхнормативно) увеличить руководящую отметку ещё на 0,3 м.

Также проектировщиками рекомендовалось осуществлять замену оттаивающих слабых грунтов и крупнообломочных грунтов с содержанием переувлажнённого глинистого заполнителя более 30%, на глубину не менее допустимой по оттаиванию. После частичной выемки слабого грунта основания, внизу, как правило, оставался обычно не оттаявший слабый грунт. Последующая отсыпка на него дренирующего скального грунта при весеннем снеготаянии, ливнях и других возможных подтоплениях земляного полотна способствовала попаданию в основание насыпи теплых вод. Это приводило к непроектному (не расчётному) растеплению и замачиванию оттаивающих мёрзлых грунтов основания с возникновением длительных, слабозатухающих и неравномерных осадок, разрушающих дорожную одежду.

С 2004 по 2010г на дороге была устроена дорожная одежда с асфальтобетонным покрытием. В середине 2010 г. аппарату представителя президента РФ по Дальневосточному округу было поручено изучить ход строительства данной дороги, в виду всё возрастающих темпов её ремонта и реконструкции уже требующих дополнительных ассигнований ещё на 41,6 млрд. рублей[1] (журнал «Автомобильные дороги» №7 за 2010г).

Из рассмотренного примера сложившейся ситуации явственно прослеживается, что дорожные насыпи в районах вечной мерзлоты на территории РФ, запроектированные по второму принципу проектирования

9

и отсыпанные дренирующими грунтами, как правило, затем имеют сверхнормативные, слабозатухающие, неравномерные эксплуатационные осадки. Осадки длительное время повреждают дорожную одежду и ухудшают ровность автомобильных дорог, что требует проведения постоянных ремонтных работ, не учитываемых при техникоэкономическом сравнении конструктивно-технологических решении.

Эксплуатирующиеся в районах распространения вечной мерзлоты с допущением аналогичного, частичного оттаивания вечномёрзлого основания дорожные насыпи Канады и Аляски, более быстро и дешевле построенные, подобных проблем практически не имеют. Рассмотрение данного парадокса выявило следующее.

Большинство быстро (со средним темпом до 1000 км за 2-3 года, против 15-20 лет и более в РФ), сравнительно недорого, а главное, в последующем устойчиво (без затяжной неравномерной осадки)

работающих на мерзлоте дорожных насыпей Канады и Аляски, были построены с массовым применением местных глинистых грунтов, а также различных геотекстильных материалов [2].

Местные грунты на севере Канады и на Аляске, как и в районах вечной мерзлоты РФ, наиболее широко представлены сильно и избыточно переувлажнёнными глинистыми и различными крупнообломочными грунтами, со значительным (более 30%) содержанием глинистого заполнителя. При этом многие канадские и американские специалисты, вначале считали данные грунты непригодными и не желательными для строительства дорожных насыпей в районах Севера, что находило отражение и в их рекомендациях. Однако, исходя из рыночных требований (дешевле, быстрее, и впоследствии устойчивей), их всё же широко стали применять (в переувлажнённом и недоуплотнённом, по нормативам РФ, состоянии) при строительстве дорожных насыпей на мерзлоте.

Как показывает зарубежный и отечественный опыт, проблему обеспечения быстрого, не дорогого и качественного (устойчивого и экологичного) строительства дорожных насыпей на мерзлоте, невозможно решить без обеспечения массового применения при строительстве наиболее распространённых местных некондиционных (пучинистых, переувлажнённых, мёрзлых) глинистых грунтов. При этом техникоэкономические сравнения вариантов конструктивно-технологических решений должны производиться с учетом достоверной информации технического состояния земляного полотна в течение жизненного цикла.

Выполненные аналитические исследования (не смотря на их незаконченность решения) позволяли авторам предложить (на основе известных) три типа конструкции земляного полотна, приведенных на рисунке 1.

10