CC BY
0
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ВЫСОТЕ НАСЫПИ НА СЛАБОМ ОСНОВАНИИ
A.Ф. Колос1, канд. техн. наук, доцент
B.А. Черняева1, канд. техн. наук, доцент О.В. Максимов2'3, магистр
петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
2ООО «Сотеpра Инжиниринг» 3ООО «АГС Проект» 1(Россия, г. Санкт-Петербург) 2,3(Россия, г. Петергоф)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-7-2-175-180
Аннотация. В данной статье рассматривается эффективность конструктивных решений земляного полотна автомобильных дорог при различной высоте насыпи на слабом основании. Рассмотрена проблема сооружения земляного полотна на слабом основании и возникающие при этом недопустимые деформации в виде неравномерной осадки и потеря устойчивости. Выполнено технико-экономическое обоснование сооружения земляного полотна автомобильных дорог на слабом основании методом проведения анализа эффективности конструктивных решений при различной высоте насыпи. На основании произведенных расчетов по предельным состояниям подсчитаны объемы работ для сооружения различных вариантов земляного полотна. Проведен анализ эффективности конструктивных решений в различных условиях строительства, показан график эффективности, на основании которого можно сделать вывод об эффективности конструктивных решений земляного полотна.
Ключевые слова: земляное полотно, технико-экономическое обоснование, эффективность, капитальные затраты, эксплуатационные затраты, слабое основание, конструктивное решение.
Индивидуальное проектирование земляного полотна в соответствии с действующими нормативно-техническими документами, является случаем, когда необходимо обоснование принятых конструктивных, технологических и организационных решений. Частичная или полная замена грунта слабого естественного основания, осушение болот, устройство вертикальных свай-дрен, устройство легких и облегченных насыпей, использование различных геосинтетических материалов и многие другие методы требуют расчетного обоснования по предельным состояниям, а также соответствующего технико-экономического сравнения [2].
В настоящее время обоснование принятых конструктивных, технологических и организационных решений при проектировании конструкций земляного полотна
автомобильных дорог проводят на основании разработанной и утвержденной методики, изложенной в [4]. Методология данного документа может быть применена к другим случаям, в которых необходимо проведение технико-экономического обоснования. Все сравниваемые конструктивные решения должны соответствовать требованиям [3] в части обеспечения безопасного и бесперебойного движение транспортных средств. За критерий экономического сравнения принимают минимальное значение затрат на сооружение и эксплуатацию земляного полотна. Дополнительно учитываются социально-экономические потери и эффекты пользователей инфраструктуры и других заинтересованных сторон. В статье проведен анализ эффективности конструктивных решений земляного полотна автомобильных дорог при
различной высоте насыпи на слабом основании. Для анализа эффективности принята следующая методология: расчет конструкции земляного полотна по предельным состояниям (прочности и деформируемости), расчет сметной стоимости строительства земляного полотна, расчет социально-экономических эффектов и затрат.
Принятые исходные данные для анализа эффективности конструктивных решений земляного полотна
Высота насыпи - от 4 до 12 м;
Слабое основание - 4 м;
Грунт основания - торф среднеразло-жившийся;
Физико-механические свойства грунтов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Физико-механические свойства грунтов
№ п.п Наименование грунта С, кПа у, кН/м3 Edef, МПа
1 Торф среднеразложившийся 8,00 10,00 11,77 0,21-0,50
2 Песок средней крупности 25,00 4,00 20,00 40,00
3 Песок крупный 40,00 1,00 20,00 40,00
Принятые для сравнения конструктивные решения земляного полотна приведены в таблице 2.
Таблица 2. К онструктивные решения
№ варианта Наименование конструкции основания Основные параметры земляного полотна
I вариант Устройство пригрузочных берм с TriAx Ширина по верху - 22,0 м Крутизна откоса 1:3 Ширина берм по верху - 12 м
II вариант Устройство облегченной насыпи с применением блоков из пенополистирола ПЕНОПЛЭКС Ширина по верху - 22,0 м Крутизна откоса 1:3
III вариант Устройство свайного основания из грунто-цементных свай Ширина по верху - 22,0 м Крутизна откоса 1:3
Расчет земляного полотна по предельным состояниям
Для определения эффективности необходимо выполнение следующего условия: сравниваемые конструктивные решения должны обеспечивать необходимую проч-
ность и деформируемость. Таким образом, на первом этапе произведен расчет приведенных выше вариантов конструктивных решений по двум предельным состояниям (прочности и деформируемости). Результаты расчетов приведены в таблице 3.
Таблица 3. Результаты расчеты конструктивных решений земляного полотна по предельным состояниям
№ п.п Условия строительства Конструктивные решения
Пригрузочные бермы с TriAx Облегченная насыпь Свайное основание
1 H насыпи - 4м, H слабого основания - 4м Куст = 1,63 Осадка 1198,1 мм Куст = 1,41 Осадка 1165,6 мм Куст = 1,44 Осадка 121,6 мм
2 H насыпи - 6м, H слабого основания - 4м Куст = 1,48 Осадка 1479,0 мм Куст = 1,65 Осадка 1572,7 мм Куст = 1,33 Осадка 124,1 мм
3 H насыпи - 8м, H слабого основания - 4м Куст = 1,49 Осадка 1494,9 мм Куст = 1,91 Осадка 1853,5 мм Куст = 1,32 Осадка 172,0 мм
4 H насыпи - 12м, H слабого основания - 4м Куст = 1,41 Осадка 1654,3 мм Куст = 1,88 Осадка 2616,6 мм Куст = 1,39 Осадка 312,4 мм
Расчет сметной стоимости строительства
На втором этапе оценки эффективности конструктивных решений проводится расчет сметной стоимости строительства (табл. 4).
Таблица 4. Сводная таблица сметной стоимости конструктивных решений на 1 км авто-
мобильной дороги
№ п.п Условия строительства Сметная стоимость конструктивных решений, млн рублей
Пригрузочные бермы с TriAx Облегченная насыпь Свайное основание
1 H насыпи - 4м, И слабого основания - 4м 445,405 636,375 639,062
2 И насыпи - 6м, И слабого основания - 4м 690,381 1 084,444 934,582
3 И насыпи - 8м, И слабого основания - 4м 970,108 1 843,884 1 375,756
4 И насыпи - 12м, И слабого основания - 4м 1 665,564 2 924,215 2 486,424
График изменения сметной стоимости строительства с увеличением высоты насыпи приведен на рисунке 1.
Рис. 1. График изменения сметной стоимости строительства
Расчет социально-экономических эффектов
Расчет выполнен по методике [4].
1. Расчетная величина себестоимости пробега j -го вида автомобиля на 1 км соответственно в существующих и проектных условиях, р./км (1):
S ■ S ■ =
•^сущ.р ^пр.]
А ЗП
+ з + З + З +---\--
Т *V V .
г НР
* 1 +-
. 100.
*К,
per
(1)
где Зтоп - затраты на топливо, руб./км;
Зсм - затраты на смазочные материалы, руб./км;
Зш - затраты на восстановление износа шин, руб./км;
Зто - затраты на ремонт и техническое обслуживание автомобиля, руб./км;
А - амортизационные отчисления, руб.;
Т - среднегодовое время использования автомобиля, ч;
З
(3)
V - средняя скорость движения транспортного потока по участку дороги, км/ч;
ЗП - заработная плата водителя, руб./ч;
НР - величина накладных расходов, % от прямых затрат;
^рег - региональный поправочный коэффициент к затратам на пробег автомобиля.
2. Размер снижения себестоимости перевозки грузов (пассажиров), руб./км (2):
Д5у Д^ущ./ Д5Лр.у (2)
3. Снижение затрат, связанных с перевозками грузов и пассажиров, находят по формуле
п
дсат = ^ 365 * М^у * I * Д5у (3)
У=1
где Л^у - среднегодовая суточная интенсивность движения автомобилей j -го вида на каждом шаге расчета t в пределах расчетного периода, авт./сут; ] - вид автомобиля в составе транспортного потока; Ь - протяженность автомобильной дороги, км.
4. Социально-экономический эффект в виде дополнительного дохода от автотранспортных перевозок вследствие улучшения дорожных условий рассчитывают по формуле (4)
где - годовой объем грузов (пассажиров), подлежащих перевозке j -м транспортным средством в течение ^го года, т (пасс.);
Ц - средняя цена (тариф) на перевозку 1 т грузов (средняя провозная плата за перевозку одного пассажира может быть определена на основе анализа рынка транспортных услуг в рассматриваемом регионе), руб.;
Дt - разность во времени доставки грузов (пассажиров) после реализации проектного решения в сравнении с существующим, ч.
5. Величину социально-экономического эффекта от экономии времени населения на передвижение ДЭв рекомендуется рассчитывать по формуле (5)
ДЭв=Ус-Уп (5)
где Ус, Уп стоимостные оценки затрат времени на передвижение соответственно в существующих условиях и после реализации проектного решения, руб. (6);
У, У = 365 * С
(^л * Вл + NtaBT * Вавт) * + tt3)
(6)
где СПас - средняя величина потерь в расчете на 1 чел./ч пребывания в пути пассажиров, руб.
Мавт - среднегодовая суточная интенсивность движения соответственно легковых автомобилей и автобусов, авт./сут;
Вл, Вавт - среднее количество пассажиров соответственно в одном легковом автомобиле и автобусе;
^ - среднесуточное время задержки одного автомобиля в местах затрудненного проезда, ч.
6. Социально-экономический эффект от сокращения ДТП ДЭдтп определяют по формуле (7)
ДЭдтп = Пс - Пп (7)
где Пс, Пп - потери от ДТП в зоне тяготения к дорожному сооружению соответственно для существующих и проектных условий, руб.
С учетом принятых основных параметров земляного полотна (табл. 2) рассчитана величина социально-экономических эффектов, возникающих при сравнении трех вариантов конструктивных решений с максимальным сроком строительства земляного полотна 12 месяцев (свайное основание). Срок строительства земляного полотна с пригрузочными бермами с ТлАх принят 7 месяцев, облегченной насыпи - 9 месяцев. Результаты расчетов сведены в таблицу 5.
Таблица 5. Расчет социально-экономических эффектов по вариантам конструктивных решений_
Социально-экономические эффекты, млн рублей.
Пригрузочные бермы с TriAx Облегченная насыпь Свайное основание
5,706 3,401 -
Заключение
Приведенные в статье исследования и расчеты позволяют сделать следующие выводы:
1. Для того, чтобы избежать недопустимых деформаций, необходимо применять индивидуальные конструктивные решения. Они позволяют обеспечить устойчивость и стабильность, уменьшить осадку насыпи, исключить неравномерность осадки, а также ускорить её.
2. Технико-экономическое обоснование необходимо для выбора наиболее эффективного вида конструктивного решения. На эффективность оказывает значительное влияние условия строительства.
3. Для определения эффективности необходимо выполнение следующего условия: сравниваемые конструктивные решения должны обеспечивать необходимую прочность и деформируемость. Таким образом, на первом этапе произведен расчет приведенных выше вариантов конструктивных решений по двум предельным состояниям (прочности и деформируемости)
4. По результатам рассмотренного в статье примера, проведенного технико-
экономического обоснования можно сделать следующие выводы:
- При сооружении земляного полотна (вариант I) достигается максимальный социально-экономический эффект в сравнении с вариантом II и III за счет самого быстрого ввода в эксплуатацию.
- Проведя анализ графика изменения сметной стоимости строительства, можно сделать вывод, что самым экономичным является также вариант I. При высоте насыпи 4 м облегченная насыпь является эффективнее свайного основания, не только за счет более простого и быстрого производства работ по сооружению земляного полотна, а также за счет сметной стоимости. При высоте насыпи 6, 8 и 12 м свайное основание будет эффективнее облегченной насыпи.
- При любой высоте насыпи самым эффективным вариантом будет вариант I. Однако, на практике такой вариант не всегда находит применение. Стоимость минерального грунта и его перевозки, а также ширина полосы отвода могут сделать невозможным или экономически нецелесообразным применение такого конструктивного решения.
Библиографический список
1. ГОСТ 32959-2014 Дороги автомобильные общего пользования. Габариты приближения.
2. Колос А.Ф, Ганчиц В.В., Черняева В.А. Новые принципы и подходы планирования организации транспортного строительства. Транспортное строительство. - 2017. - № 01. -С. 6-9.
3. Технический Регламент Таможенного Союза ТР ТС 014/2011 «Безопасность автомобильных дорог».
4. ОДМ 218.2.067-2016 «Методические рекомендации по выбору рациональных конструкций земляного полотна на слабых основаниях и их технико-экономическому обоснованию».
5. ГОСТ 25100-2011 Грунты. Классификация.
6. СП 24.13330.2021 Свайные фундаменты (актуализированная редакция СНиП 2.02.0385).
7. «СП 34.13330.2021. Свод правил. Автомобильные дороги. СНиП 2.05.02-85*» (утв. и введен в действие Приказом Минстроя России от 09.02.2021 N 53/пр).
8. ГОСТ Р 55028-2012 Дороги автомобильные общего пользования. Материалы геосинтетические для дорожного строительства. Классификация, термины и определения.
9. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах.
10. Евгеньев И.Е., Казарновский В.Д. Земляное полотно автомобильных дорог на слабых грунтах. - 1976.
11. Пуркин В.И. Проектирование дорог в болотистой местности. - Москва: МАДИ, 2021.
STUDY OF THE EFFECTIVENESS OF DESIGN SOLUTIONS FOR HIGHWAY SUBGRADES AT DIFFERENT EMBANKMENT HEIGHTS ON A WEAK FOUNDATION
A.F. Kolos1, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor V.A. Chernyaeva1, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor O.V. Maksimov2'3, Master
1St. Petersburg State University of Railways of Emperor Alexander I
2Soterra Engineering LLC
3AGS Project LLC
1(Russia, St. Petersburg)
2,3(Russia, Peterhof)
Abstract. This article examines the effectiveness of design solutions for highway subgrades at different embankment heights on a weak foundation. The problem of constructing a subgrade on a weak foundation and the resulting unacceptable deformations in the form of uneven settlement and loss of stability are considered. A feasibility study was carried out for the construction of highway subgrades on a weak foundation by analyzing the effectiveness of design solutions at different embankment heights. Based on the calculations made for limit states, the volume of work for the construction of various versions of the roadbed was calculated. An analysis of the effectiveness of constructive solutions in various construction conditions was carried out, an efficiency graph was shown, on the basis of which a conclusion can be drawn about the effectiveness of constructive solutions of the subgrade.
Keywords: subgrade, feasibility study, efficiency, capital costs, operating costs, weak foundation, design solution.
