CC BY
72
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ
УДК 625.7/.8 (571.1)
ЕФИМЕНКО СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, svefimenko_80@mail. ru
ЕФИМЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, svefimenko_80@mail. ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
АФИНОГЕНОВ АЛЕКСЕЙ ОЛЕГОВИЧ, канд. техн. наук, afinogenov@smtp. ru
ООО «Кузбасский центр дорожных исследований», 650010, г. Кемерово, ул. Якимова, 82
К УТОЧНЕНИЮ СХЕМЫ ДОРОЖНО-КЛИМАТИЧЕСКОГО РАЙОНИРОВАНИЯ ТЕРРИТОРИЙ НА ПРИМЕРЕ РАЙОНОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Приведены результаты исследований по учету распределения геокомплексов в природных условиях Западной Сибири. На примере Кемеровской области отмечены отличия в территориальном распространении дорожно-климатических зон, схематично выделенных в действующих нормах проектирования автомобильных дорог. Показаны рекомендации по дорожно-климатическому районированию территории юго-востока Западной Сибири с учетом особенностей водно-теплового режима грунтов земляного полотна.
Ключевые слова: метод; дорожно-климатическое районирование; геокомплексы; однородность; эффективность.
SERGEI V. EFIMENKO, PhD, A/Professor, svefimenko_80@mail. ru VLADIMIR N. EFIMENKO, Dsc, Professor, svefimenko_80@mail. ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
© С.В. Ефименко, В.Н. Ефименко, А.О. Афиногенов, 2014
ALEKSEIO. AFINOGENOV, PhD, A/Professor, afinogenov@smtp. ru
OOO «Kuzbasskii Tsentr Dorozhnykh Issledovanii», 82, Yakimov Str., 650010, Kemerovo, Russia
THE OUTLINE OF ROAD BUILDING CLIMATIC ZONING IN WESTERN SIBERIA
The paper presents research findings on geographic complex distribution under natural conditions of Western Siberia. On the example of the Kemerovo region, the paper shows differences in territorial boundaries of road building climatic zones which are schematically presented in design standards for automobile roads. Recommendations are given for road building climatic zoning in the south-east of Western Siberia accounting for water and thermal conditions of subgrade soils.
Keywords: method; road building climatic zoning; geocomplexes; uniformity; efficiency.
С 1 июля 2013 г. в дорожной отрасли введен в действие Свод правил СП 34.13330.2012 «Автомобильные дороги» [1] (актуализированная редакция СНиП 2.05.02-85*). Среди нововведений этого документа - карта дорожно-климатического районирования (прил. Б, обязательное), простирание границ зон на которой отличается от ранее принятого и нашедшего отражение в ряде действующих нормативных документов на проектирование дорог общего пользования. В соответствии с новыми данными часть территории, например, Кемеровской области отнесена к I дорожно-климатической зоне (подзона I3): восточнее линии Алтайск - Чугунаш - Междуреченск - г. Крестовая - Урюп (рис. 1). Напомним, нормативным документом [2] вся территория Кемеровской области была отнесена к III дорожно-климатической зоне.
Закономерности, выявленные при исследовании влияния геокомплексов на протекание водно-тепловых процессов в грунтах земляного полотна автомобильных дорог Западно-Сибирского региона, позволили установить [3], что, например, более 60 % территории Кемеровской области по зональным, интразональным и региональным признакам соответствует географической зоне лесов с избыточным увлажнением, т. е. II дорожно-климатической зоне, а не III, как это отражено в правилах [2]. При этом I дорожно-климатическая зона включает в себя территории тундры, лесотундры и северо-восточную часть лесной зоны с распространением многолетнемёрзлых грунтов. На территории Кузбасса отсутствуют геокомплексы, обладающие подобными признаками. Выделенная в документе [1] территория Кемеровской области, как часть подзоны I3, относится к горным районам, где высота влияет на климат местности и обусловливает проявление вертикальной зональности в характеристиках почвенного покрова.
Одним из общепризнанных критериев выделения однородных территорий при дорожно-климатическом районировании является увлажненность той или иной местности, которую можно выразить через гидротермический коэффициент Г.Т. Селянинова (ГТК). Естественно предположить, что при выделе-
нии территорий, однородных по обозначенному критерию, фактическая увлажненность грунтов в насыпях строящихся автомобильных дорог должна иметь тесную связь со значениями гидротермического коэффициента (ГТК), характерными для тех или иных районов.
В качестве показателя (коэффициента) увлажненности принято отношение фактической влажности грунта в насыпи дороги к его оптимальной влажности, определяемой по ГОСТ 22733-2002. В работе [4] получены экспериментальные значения коэффициента увлажненности Кувл для различных климатических районов Кемеровской области. Используя их и средние значения гидротермического коэффициента по соответствующим климатическим районам, ранее рассчитанные в работе [5], выполнена оценка взаимосвязи параметров. Результаты приведены в табл. 1 и на рис. 2.
Рис. 1. Дорожно-климатическое районирование территории Кемеровской области: пунктирные линии - по СП 34.13330.2012:
I, II, III - дорожно-климатические зоны; 1-2 - подзоны сплошные - по В.Н. Ефименко; I, II, III - дорожно-климатические зоны; Р, Х, Г - подзоны по типу рельефа (равнинный, холмистый, гористый); 1-4 - номера дорожных районов
Прокопьевск • *
Междуреч^гюк
Таблица 1
Сопоставление значений гидротермического коэффициента (ГТК), коэффициента увлажненности грунта и коэффициента уплотнения грунта
Показатель Дорожно-климатический район по предложению ТГАСУ
П.Х.1 П.Г.2 Ш.Р.3 Ш.Х.4
Гидротермический коэффициент Селянинова 1,9 1,5 1,3 1,1
Коэффициент увлажненности грунта 1,22 1,07 1,04 0,95
Коэффициент уплотнения грунта 0,941 0,962 0,973 0,986
2,0
о
& 1-0-----
я и
0,8 ----
0,9 1 1,1 1,2 1,3
Коэффициент увлажненности грунта, Куш
Рис. 2. Связь гидротермического коэффициента Селянинова (ГТК) и коэффициента увлажненности глинистых грунтов (Ктш)
Из рис. 2 видно, что зависимость ГТК = ДКувл) достаточно тесная и практически прямая. Аналитически она может быть выражена зависимостью (при Е2 = 0,982)
ГТК = 3,02Кувл - 1,78.
Относительная влажность (коэффициент увлажненности) глинистых грунтов, используемых в насыпях автомобильных дорог, - один из наиболее важных технологических параметров, учитываемых при сооружении земляного полотна. Столь тесная связь его и гидротермического коэффициента однозначно подтверждает целесообразность и достоверность дифференцированного дорожно-климатического районирования территорий Российской Федерации. Кроме того, такое районирование может служить не только для целей планирования дорог, но и быть полезным для проектирования мероприятий по их строительству.
В табл. 2 приведены среднестатистические значения основных строительных характеристик глинистых грунтов по отдельным дорожно-климатическим районам территории Кемеровской области, выделенным по результатам исследований специалистов ТГАСУ. Данные табл. 2 показывают, что строительные свойства грунтов по отдельным районам существенно раз-
личаются (кроме районов Ш.Р.3 и Ш.Х.4), и подтверждают необходимость использования в практической деятельности именно дифференцированного дорожно-климатического районирования в системе «зона - подзона - район».
Несмотря на незначительное различие показателей по районам Ш.Р.3 и Ш.Х.4, значения коэффициентов увлажненности для них существенно разнятся, что сказывается и на достигаемых коэффициентах уплотнения грунта (см. табл. 1). Таким образом, из представленных данных не следует возможность объединения указанных климатических районов в подзону или зону. Причем установлена тесная связь между коэффициентом увлажненности грунта и достигаемой степенью его уплотнения при возведении насыпей в отдельных климатических районах. Эту зависимость иллюстрирует рис. 3.
Таблица 2
Среднестатистические значения основных строительных характеристик глинистых грунтов по отдельным дорожно-климатическим районам Кемеровской области
Показатель грунта Дорожн п о-климатический район по редложению ТГАСУ
II.X.l П.Г.2 Ш.Р.3 III.X.4
Максимальная плотность, кг/см3 1,84 1,66 1,71 1,72
Оптимальная влажность, % 15,45 21,74 19,15 19,98
Фактическая (естественная) влажность в насыпи, % 18,80 23,28 19,88 19,10
0,99
0,93 ----
0,90 1,00 1,10 1,20 1,30
Коэффициент увлажненности грунта, К^
Рис. 3. Взаимозависимость коэффициентов уплотнения и увлажненности грунта
Коэффициент уплотнения грунта земляного полотна является основным параметром, характеризующим надежность и прочность дорожной конструк-
ции, его можно считать одним из интегральных показателей качества автомобильной дороги. Существенное различие достигаемых значений Купл по отдельным климатическим районам и их тесная зависимость от коэффициента увлажненности (соответственно и от гидротермического коэффициента Селя-нинова) также являются аргументом в пользу дифференцированного дорож-но-климатического районирования.
Из схемы, приведенной на рис. 1, видно, что районирование Кемеровской области по СП 34.13330.2012 и предлагаемое ТГАСУ существенно различается. Сводом правил нормировано следующее деление: территория севернее линии Томск - Мариинск - Боготол относится к подзоне 112; восточнее линии Алтайск - Чугунаш - Междуреченск - г. Крестовая - Урюп - подзона 13; остальная территория - подзона Шь
Отметим, что в примечании к карте дорожно-климатического районирования (приложение Б) указано: «При соответствующем обосновании общее дорожно-климатическое районирование территории России может уточняться в рамках отдельных субъектов Российской Федерации». Однако предложенное сводом правил допущение свидетельствует о недостаточном совершенстве схемы дорожно-климатического районирования.
К сожалению, недостаточная разработанность критериев однородности и целостности выделяемых районов, отсутствие правил выбора элементов наблюдения, назначения географических границ, а также разнородность приёмов сбора и обработки исходных данных тормозят эффективное использование решений по дорожно-климатическому районированию отдельных регионов России, предложенных в последние годы [6, 7, 8]. Подобные исследования в регионах России сегодня носят локальный характер и касаются лишь отдельных административных образований, что обусловлено сложностью исполнительской организации работ, значительными трудовыми и финансовыми затратами при их проведении. При отсутствии единой идеологии работ результаты, представленные исполнителями, трудно поддаются стыковке, даже в случаях соприкосновений территорий исследований.
По нашему мнению, при крайне значительных территориальных распространениях дорожно-климатических зон на территории России уточнение дислокации их границ, выделение таксонометрических единиц более низкого порядка в системе «зона - подзона - дорожный район» целесообразно осуществлять в пределах административных границ областей и краёв. Такой подход в дорожно-климатическом районировании позволит разработчикам карт и схем, характеризующих простирание зон на территориях регионов, избежать ошибок, подобных приведённому примеру из свода правил по юго-востоку Западной Сибири, будет способствовать выделению однородных по геокомплексам дорожных районов, обеспечивая требуемое качество проектирования и строительства автомобильных дорог.
Отечественный и зарубежный опыт разработки принципов дорожного районирования [9, 10, 11] подтверждает, что рациональный учёт территориальных природно-климатических условий может базироваться на применении таксонометрической системы: «зона - подзона - район». В этой системе таксон «дорожный район» соответствует однородной территории, характеризуе-
мой типичными, свойственными только ей климатом, геологией, рельефом местности и другими факторами [12]. Внутри этой территории однотипные дорожные конструкции, прежде всего земляное полотно и дорожные одежды, в сходных грунтово-гидрологических условиях должны характеризоваться примерно одинаковой прочностью и устойчивостью. Понятие «подзона» включает в себя однородную территорию физико-географической фации, приуроченной, например, к элементам морфографии. Таксон «зона» объединяет соподчиненные блоки «район» и «подзона» в систему, характеризующую земную поверхность с однородным распределением тепла и влаги, способствующих развитию определённых и взаимосвязанных типов почв и растительности. В соответствии с изложенным принципом специалистами ТГАСУ выполнены работы по районированию территорий административных образований, расположенных в Западной Сибири [13], в том числе Кемеровской области (см. рис. 1).
Предлагаемая авторами методика уточнения территориальной дислокации границ дорожно-климатических зон включает в себя несколько этапов исследований [7, 14].
На первом этапе дорожно-климатического районирования формируют информационную базу для моделирования показателями геокомплексов зонального и интразонального характера. К зональным признакам относят климатические условия (средние, максимальные и минимальные температуры воздуха, количество и сезонное распределение осадков, испарение с поверхности суши, высоту снежного покрова, глубину и скорость промерзания земляного полотна автомобильных дорог, влагообеспеченность территории). Ин-тразональные природные факторы могут существенно изменяться в пределах территории каждой зоны. Среди подобных факторов можно считать: рельеф местности (равнинный, холмистый, гористый); гранулометрический состав грунтов и др. Показатели, учитываемые при районировании, назначают на основе полевых, лабораторных исследований, изучения особенностей водно-теплового режима грунтов земляного полотна автомобильных дорог и по справочным источникам применительно к опорным пунктам (населённые пункты на территории исследования).
Отметим, что формирование банка исходных данных для моделирования элементами геокомплексов, выделения доминирующих факторов зависит от предназначения дорожно-климатического районирования - в целях проектирования, строительства или ремонта и содержания автомобильных дорог.
Второй этап исследований по дорожному районированию отдельных территорий можно реализовать либо за счёт покомпонентного наложения схем распространения элементов геокомплексов, либо с привлечением математических приёмов обработки характеристик, включённых в информационную базу, например, с применением разработанного специалистами ТГАСУ программного продукта [15]. Особенности алгоритма расчётов по этой программе приведены в работе [12].
Третий этап работы направлен на корректировку положения границ районов, подзон и зон для смежно расположенных территорий административных образований на значительных по площади территориях регионального
характера. При этом, как и для реализации второго этапа районирования, предложено математическое решение [12], позволяющее более полно отобразить естественную пространственную дифференциацию ландшафтной оболочки, обеспечить высокий уровень однородности выделяемых в системе «зона - подзона - район» территорий.
При этом научная новизна предлагаемого подхода заключается в выделении однородных территорий в региональных административных образованиях по комплексу природных и климатических условий с учётом закономерностей и связей, учитывающих особенность протекания водно-теплового режима грунтов земляного полотна на существующей сети автомобильных дорог.
Четвёртый этап уточнения простирания границ элементов таксономет-рической системы направлен на назначение комплекса расчётных значений тех или иных параметров, применяемых при проектировании, строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог, по отношению к территориям, выделенным на предыдущих этапах работы.
Основываясь на результатах многолетних исследований влияния природно-климатических условий на состояние сети автомобильных дорог Западно-Сибирского региона, можем предположить, что предлагаемый нами методический подход к уточнению границ дорожно-климатических зон на обширной территории России может способствовать обеспечению требований к качеству проектирования и строительства транспортных сооружений и, соответственно, снижению эксплуатационных затрат в течение их жизненного цикла. Экономический эффект от уточнения дислокации границ и территориального распространения дорожно-климатических зон в Западно-Сибирском регионе при базисном уровне цен 2000 г., по нашим расчётам [16], может составлять более 100 тыс. руб. на 1 км автомобильной дороги.
Библиографический список
1. СП 34.13330.2012. Автомобильные дороги / Министерство регионального развития РФ. - М., 2013.
2. СНиП 2.05.02-85*. Автомобильные дороги / Госстрой СССР. - М. : ЦИТП Госстроя СССР, 2004. - 56 с.
3. Ефименко, В.Н. Дорожно-климатическое районирование юго-восточной части Западной Сибири / В.Н. Ефименко, А.И. Шеслер // Автомобильные дороги. - 1980. - № 7. - С. 19-21.
4. Афиногенов, А.О. Обоснование региональных норм степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог (На примере районов Западной Сибири) : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Томск. - 2011. - 22 с.
5. Ефименко, В.Н. Дорожно-климатическое районирование территории Западной Сибири / В.Н. Ефименко, С.В. Ефименко, М.В. Бадина // Инновации, качество, образование -перспектива развития дорожного комплекса России: материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 70-летию Алтайского края и КГУ «Алтайав-тодор» (2-5 апреля 2007 г.). - Барнаул : Изд-во АЛТГТУ, 2007. - С. 121-129.
6. Ярмолинский, А.И. Комплексный подход к дорожному районированию территории Сахалинской области / А.И. Ярмолинский, А.П. Пичугов, И.Н. Пугачев. - Условия доступа : http://ad.khstu.ru/files/statya/file/statja8.pdf, свободный.
7. Ефименко, В.Н. Уточнение дислокации границ дорожно-климатических зон на территории Западной Сибири с применением методов математического моделирования /
B.Н. Ефименко, С.В. Ефименко, М.В. Бадина // Вестник ТГАСУ. - 2007. - № 1. -
C. 220-228.
8. Гулько, О.Н. Дорожно-климатическое районирование территории Крайнего Севера Европейской части России с наличием многолетнемерзлых грунтов : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 2005. - 26 c.
9. Мотылев, Ю.Л. Устойчивость земляного полотна в засушливых и пустынных районах / Ю.Л. Мотылев. - М. : Транспорт, 1969. - 230 c.
10. Автомобильные дороги (Совершенствование методов проектирования и строительства) /
B.М. Сиденко, О.Т. Батраков, М.И. Волков [и др.]. - Киев : Будивельник, 1973. - 278 c.
11. Zapata, C.E. Calibration and validation of the enhanced integrated climatic model for pavement design / C.E. Zapata, W.N. Houston. - Washington, D.C. : Transportation Research Board, 2008. - 62 p.
12. Ефименко, С.В. Применение информационных систем при уточнении границ дорожно-климатических зон / С.В. Ефименко, Д.Н. Черепанов // Вестник МГСУ. - 2013. - № 6. -
C. 214-222.
13. Афиногенов, О.П. Конструирование и расчет дорожных одежд / О.П. Афиногенов, В.Н. Ефименко, С.В. Ефименко. - Кемерово : Кузбассвузиздат, 2008. - 371 c.
14. Ефименко, В.Н. Методические основы дорожно-климатического районирования территории юго-востока Западной Сибири / В.Н. Ефименко // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2002. - № 10. - С. 87-90.
15. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013616874 Российская Федерация. Выявление простирания линий границ дорожных зон, подзон, районов / С.В. Ефименко, М.В. Бадина, Д.Н. Черепанов, С.П. Батуев. - № 2013614537 ; заявл. 03.06.13 ; опубл. 24.07.13
16. Ефименко, С.В. Оценка экономической эффективности учета изменчивости геокомплексов при проектировании дорожных одежд автомобильных дорог / С.В. Ефименко, Т.В. Боброва // Вестник СибАДИ. - 2013. - № 4 (32). - С. 136-140.
References
1. SNiP 34.13330.2012 'Avtomobil'nye dorogi' [Automobile roads]. Ministry of Regional Development of Russia. Moscow, 2013. (rus)
2. SNiP 2.05.02-85* 'Avtomobil'nye dorogi' [Automobile roads]. State Committee for Construction in the Soviet Union. Moscow, 2004. 56 p. (rus)
3. Efimenko, V.N., Shesler, A.I. Dorozhno-klimaticheskoe rajonirovanie jugo-vostochnoj chasti Zapadnoj Sibiri [Road building climatic zoning of the southeast Western Siberia]. Avtomobil'nye Dorogi, 1980. No. 7 Pp. 19-21. (rus)
4. Afnogenov, A.O. Obosnovanie regional'nykh norm stepeni uplotneniya glinistykh gruntov zemlyanogo polotna avtomobil'nykh dorog (Na primere raionov Zapadnoi Sibiri) [Rationale for regional standards for subgrade clayey soil compaction of highways (in Western Siberia)]. Tomsk, 2011. 200 p. (rus)
5. Efimenko, V.N., Efimenko, S.V., Badina, M.V. Dorozhno-klimaticheskoe raionirovanie terri-torii Zapadnoi Sibiri [Road building climatic zoning in Western Siberia]. Proc. All-Rus. Sci. Conf. 'Innovations, Quality, Education: prospective development of road facilities in Russia'. Barnaul: ASTU Publ., 2007. V.1. Pp. 121-129. (rus)
6. Yarmolinskii, A.I., Pichugov, A.P, Pugachev, I.N. Kompleksnyi podkhod k dorozhnomu raionirovaniyu territorii Sakhalinkskoi oblasti [Comprehensive approach to Road building climatic zoning in the Sakhalin region]. Access conditions : http://ad.khstu.ru/files/statja/Sfile/statja8.pdf (rus)
7. Efimenko, V.N., Efimenko, S.V., Badina, M.V. Utochnenie dislokatsii granits dorozhno-klimaticheskikh zon na territorii Zapadnoi Sibiri s primeneniem metodov matematicheskogo modelirovaniya [Specifying dislocation of road building climatic zone boundaries in West Siberia using mathematic modelling]. Vestnik TSUAB. 2007. No. 1. Pp. 220-228. (rus)
8. Gul'ko, O.N. Dorozhno-klimaticheskoe raionirovanie territorii Krainego Severa Evropeiskoi chasti Rossii s nalichiem mnogoletnemerzlykh gruntov [Road building climatic zoning in the Far North of European Russia]. Coll. PapersMADI. Moscow, 2004. Pp. 19-33. (rus)
9. Motylev, Yu.L. Ustoichivost' zemlyanogo polotna v zasushlivykh i pustynnykh raionakh [Subgrade stability in dry land and desert regions]. Moscow : Transport, 1969, 230 p. (rus)
10. Sidenko, V.M., Batrakov, O.T., Volkov, M.I. Avtomobil'nye dorogi (Sovershenstvovanie metodov proektirovaniya i stroitel'stva) [Highways (Improvement of design techniques and construction)]. Kiev : Budivel'nik, 1973, 278 p. (rus)
11. Zapata, C.E., Houston, W.N. Calibration and validation of the enhanced integrated climatic model for pavement design. Washington, D.C.: Transportation Research Board, 2008. 62 p.
12. Efimenko, S.V., Cherepanov, D.N. Primenenie informatsionnykh sistem pri utochnenii granits dorozhno-klimaticheskikh zon [Information systems used for road building climatic zone boundaries]. Scientific and Technical Journal on Construction and Architecture. 2013, No. 6, Pp. 214-222. (rus)
13. Afinogenov, O.P., Efimenko, V.N., Efimenko, S.V. Konstruirovanie i raschet dorozhnykh odezhd [Design and calculation of road pavements]. Kemerovo : Kuzbassvuzizdat, 2008. 371 p. (rus)
14. Efimenko, V.N. Metodicheskie osnovy dorozhno-klimaticheskogo raionirovaniya territorii Yu-go-Vostoka Zapadnoi Sibiri [Methodological basics of road building climatic zone in the South-East of Western Siberia]. News of Higher Education Institutions. Construction. 2002, No. 10. Pp. 87-90. (rus)
15. RFState Registration Certificate N 2013616874 IBM program. S.V. Efimenko, M.V. Badina, D.N. Cherepanov, S.P. Batuev. Vyyavlenie prostiraniya linii granits dorozhnykh zon, podzon, raionov [Identification of pro-deleting of lines of borders of road zones, subbands, areas]. N 2013614537; appl. 03.06.13; publ. 24.07.13. (rus)
16. Efimenko, S.V., Bobrova, T.V. Otsenka ekonomicheskoi effektivnosti ucheta izmenchivosti geokompleksov pri proektirovanii dorozhnykh odezhd avtomobil'nykh dorog [Economic effect from the assessment of geocomplex dynamic change in designing road pavements]. SibADI Journal. Omsk. 2013. No. 4 (32). Pp. 136-140. (rus)
