CC BY
31
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Рис. 3. Сетка «состояние-время». Пример оптимизации переходов
Здесь имеется в виду, что она известна из предыдущих вычислений и обеспечена той схемой перехода в состояние i, которое дает локальный минимум затрат;
СР - капитальные вложения, связанные с пе-
(ij)
реходом из состояния i в состояниеj;
X Э( ,t)ni - текущие расходы за период экс-<iJ) плуатации состояния j.
Согласно формуле (5) имеем
Со,4)12 = C + CP +УЭ П •
'“'Г '“'13 (1,4) V It 2
13
С(2,4)i6 = C2 + CP + УЭ п •
V“T Мб (2,4) ^4L^(4,tГ Ь ’
16
С (3-4)i8 = с3 + CP +у Э п
V“T ^18 (3,4) ^L^(4,t) 1 U •
18
Пусть последняя сумма минимальна. Соответственно Т .. = GPn . =18 лет, L.. = 3.
вх(4) (3,4) 5 0(3)
Предположим, сравнение всех локальных минимумов ло, что минимальной является
С.(.3,4)l8, С.(1,3)10, Ст’2}г показа-С53,4)l8, т.е. схе-
ма (3, 4) дает глобальный минимум.
Тогда оптимальная стратегия восстанавливается обратным ходом против оси времени сетки «состояние-время»: Гвя,4) = 18; i = 3; в свою очередь Твх(3) = б, а i0(3) = 1.
Представленный на рис. 2 алгоритм реализован на языке высокого уровня Object Pascal среды Delphi 6.0.
Программа состоит из нескольких подпрограмм: ввод исходных данных и подготовки к вычислениям; организация циклов; вычисление оптимального года перехода из предыдущего состояния в последующее; выбор оптимальной схемы перехода в последующее состояние.
При составлении программы для расчетов на ЭВМ были использованы зависимости, позволяющие более детально вычислять значения скорости движения и себестоимости вывозки древесины за счет введения более полных исходных данных.
Библиографический список
1. Алябьев, В.И. Сухопутный транспорт леса / В.И. Алябьев, Б.А. Ильин, Б.И. Кувалдин и др. - М.: Лесная пром-сть, 1990. - 416 с.
2. Бабков, В.Ф. Дорожные условия и безопасность движения / В.Ф. Бабков. - М.: Транспорт, 1982. - 288 с.
3. Дрю, Д. Теория транспортных потоков и управление ими / Д. Дрю. - М.: Транспорт, 1972. - 424 с.
4. Иванов, В.Н. Проблемы создания моделей дорожного движения / В.Н. Иванов, А.А. Гаврилов // Тр. МАДИ, 1975. - Вып. 98. - С. 59-62.
5. Курьянов, В.К. Проектирование автомобильных дорог лесозаготовительных предприятий: учеб. пособие / В.К. Курьянов. - Воронеж: ВГУ 1982. - 160 с.
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД
лесовозных автомобильных дорог
Ф.А. КИРИЛЛОВ, ассистент каф. транспорта леса и инженерной геодезии ВГЛТА
Лесовозные автомобильные дороги эксплуатируются в условиях II дорожноклиматической зоны, характеризующейся избыточным увлажнением грунтов. Наиболее неблагоприятными периодами для эксплуатации дорог во II дорожно-климатической зоне являются весна, когда происходит оттаивание водонасыщенного земляного полотна, и осень, когда поднимается уровень грунтовых
вод. Именно в эти периоды происходит накопление деформаций дорожных конструкций, которые приводят к разрушению дорожных одежд.
Применение в конструкции дорожных одежд дренирующих слоев позволяет улучшить работу переувлажненного грунта рабочего слоя земляного полотна за счет отвода избытка свободной воды и тем самым
94
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
повысить надежность дорожных одежд. Интенсивность поступления воды в дренирующий слой в основном обусловливается характером деформирования грунтового основания при проходе подвижной нагрузки по покрытию. Существующие методы расчета дорожных одежд предусматривают создание такой конструкции, в которой допускается накопление некоторой части остаточных деформаций в грунтовом основании. Так, при проектировании жесткого покрытия используется модель Винклера, где в расчет принимаются полные деформации грунта, характеризуемые коэффициентом постели. В этом случае величина остаточных деформаций составляет 70...100 % от величины полных деформаций. При проектировании нежестких покрытий по методам, основанным на гипотезе линейно-деформируемого однородного пространства, в расчет принимается модуль общей деформации, а величина остаточных деформаций составляет 0...30 % от величины полных деформаций. Однако величина остаточных деформаций грунтового основания может увеличиваться в результате процессов промерзания и оттаивания грунтов при избыточном увлажнении. Кроме того, за счет зимнего влагонакопления и льдообразования происходит также и разуплотнение грунтов земляного полотна.
Поэтому такие грунты имеют деформации в 6...10 раз больше по сравнению с незамерзшими.
Установлено, что при приложении динамической нагрузки графики появления и восстановления деформации неодинаковы, что объясняется природой грунта. При этом зависимости, связывающие между собой деформации грунта с напряжениями, возникающими в опорной поверхности, имеют довольно сложный вид и характеризуются наличием гистерезисных петель и остаточными деформациями, что видно из рис. 1.
При обосновании закономерности поступления воды в дренирующий слой из рабочего слоя земляного полотна необходимо тщательно учитывать гистерезисный характер деформирования грунта.
Непосредственное применение экспериментальных кривых в теоретических рас-
четах не представляется возможным. С целью упрощения описания напряженно-деформированного состояния грунта целесообразно аппроксимировать криволинейные участки зависимости s = _До) прямыми, несущими разный физический смысл (ветвь нагрузки и ветвь разгрузки).
Для описания процесса поступления воды в дренирующий слой для элементарного столба грунта можно заменить подвижную нагрузку, действующую на грунтовый массив, неподвижной, но изменяющейся во времени по кусочно-линейному закону с постоянной скоростью на стадии нагрузки и разгрузки: APk1 / At > 0 при 0 < t < Tv APk2 / At < 0 при T < t < T где APk / At - скорость нагружения или разгружения грунтового массива, (кгс/см2)/ сек. В этом случае изменение напряженнодеформированного состояния при действии нагрузки характеризуется следующими уравнениями:
1. При возрастании нагрузки в период
0 < t < т
дК, О+еср)Кф д2Р„
Ф
т,
01
AR
к\ .
dt Yw0% +а*еср) (т01+аVеср) At ’
Pw(z,0) = 0
при , (1)
Pw (0,t) = 0’
где еср- среднее значение начального коэффициента пористости на всю зону сжатия;
Кф - коэффициент фильтрации грунта, см/сут.;
yw - объемный вес воды, кгс/см;
т - объемное содержание твердой фазы в единиц объема.
Рис. 1. Зависимость между напряжением и деформацией при циклическом нагружении
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009
95
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
= О - Ч1 - V)) / (P + РЛ (2)
где Sr - степень влажности;
ц - коэффициент растворимости газа;
Pw- поровое давление;
Рат - величина начального давления, принятая равной атмосферному, кгс/см.
2. Снижение нагрузки в период т,
Т < t < Т
эр. Q+‘v)Kt
dt У.(тт+а.е ) dz2 (тю+а.е ) At
+ -
АРк2.
Pw(z,T1 ) = Pw1
при . (3)
Pw (0,t)=0
3. При возрастании нагрузки в период 0 < t < T решение (1) по глубине основания имеет вид
Pw (z,t) = Р% [t -
f
At
+z
2 Л
f
t+
2c
V ^vl
T c
exp
'cvin
erfc
2 Л
Л
2^[CvLt
+
V 4cv1t J
],
где P - коэффициент, показывающий количество воды, удерживаемое в порах грунта, уплотненного до требуемой плотности (Р = 0,7 - для супесчаных грунтов, Р = 0,75 - для суглинистых и глинистых грунтов);
t - время оттаивания в расчетный период, сут.;
z - длина пути фильтрации, соответствующая толщине рассматриваемого слоя, см;
_ О+е9)Кф
УЛт0+а„еср)
- коэффициент консолидации, см2 / сек.
При снижении нагрузки в период T1 — t < Т2 величина функции в любой точке по глубине основания определяется выражением
с =
Pw (z,t) = Pi ApkL[T -
f
At
T1 +
z
2
V
2c T
v1 1 J
erfc
( \ z
+
+z
C
T
(
cvin
exp
z
2
4c T
V v1 1 J
]-в
^[(t - я -
(t - T)+
V
2cv 2 (t - Tl)
+z
'V
(t-Tl)
^ C erfc J C
+
cv 2 П
exp
2л1 Cv2(t -Tl) .
]. (5)
V
4Cv2 (t -T1)
2
z
z
Рис. 2. Характер изменения максимальной величины остаточного напора в поровой воде в зависимости от соотношения коэффициентов т01 и т02
Анализ напряженно-деформирован-
ного состояния грунтов s = fa) показывает, что полные деформации грунта рабочего слоя (ветвь нагружения) при действии нагрузки равны или превышают по величине упругие (ветвь разгрузки) (то есть smji > s ). Учитывая этот факт при равенстве APk1 / At и APk2 / At, выражение (5) указывает на то, что грунт после разгружения не возвращается в исходное состояние. В воде, заполняющей поры грунта, будет сохраняться избыточное поровое давление, которое обусловлено наличием остаточных деформаций s , то есть различия коэффициента консолидации при возрастании и снижении нагрузки определяются в основном наличием физических факторов: движение воды, вязкость водяных пленок, взаимосвязь частиц и агрегатов и, как следствие, изменение коэффициента сжимаемости. Исходя из этого, величина относительного остаточного порово-го давления зависит от соотношения коэффициентов сжимаемости на стадии нагружения и разгрузки т0пол и т0упр, характеризующих возникновение в грунте соответственно полных и упругих деформаций (рис. 2).
Если в грунте не происходит восстановление упругих деформаций (synp = 0, т0упр = 0), то величина остаточного порового давления в рассматриваемой точке будет иметь максимальное значение P ост = P max. Если в грун-
ww
те при действии нагрузки происходят только упругие деформации (s^ = епол, т0пол = т0упр), то в этом случае остаточное поровое давление не возникает P ост = 0. Во всех остальных
w
96
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
случаях величина остаточного напора определяется выражением (5). Наличие остаточных деформаций и сохранение остаточного порового давления в воде, заполняющей поры грунта, создает условия для поступления воды в дренирующий слой по мере его спада после прекращения воздействия внешней нагрузки. Причем, количество поступающей воды и продолжительность ее поступления зависят от величины остаточного порового давления и времени его сохранения.
Изучение процессов поступления воды в дренирующий слой и ее движения в дренирующем слое позволят уточнить положения расчета дренирующих слоев для получения адекватных результатов проектных решений конструкций дорожных одежд.
Выводы
1. В результате воздействия колес транспортного средства на покрытие в переувлажненном рабочем слое земляного полотна возникает движение воды, которое осуществляется по двум принципиально различным схемам: горизонтальной и вертикальной.
2. Схема движения воды во многом определяется конструктивными особенностями покрытия, водопроницаемостью грунтового основания и его деформируемостью под нагрузкой. Горизонтальная схема фильтрации характерна для случая, когда оттаявший рабочий слой земляного полотна заключен между водонепроницаемым покрытием и мерзлым основанием. В этом случае скелет грунта под некоторой частью зоны действия нагрузки остается ненагруженным, величина сил трения в грунте минимальна и сопротивление напряжений сдвигу очень мало, что приводит к недопустимым деформациям в основании и покрытии. Однако если нагрузка на грунтовое основание передается через дренирующий слой, то в результате нагружения скелета на некоторую глубину от поверхности грунтового основания создаются условия значительного увеличения сопротивления грунта воздействию повторных нагрузок, тогда фильтрация воды происходит в вертикальном направлении.
3. Существенное влияние на условия движения воды оказывают характер расположения и скорость перемещения внешней
нагрузки. Нагрузка, передаваемая на малую площадь, размеры которой определяются размерами чаши прогиба, распределяется по ней равномерно. Грунт в основании дорожной одежды подвергается периодическим воздействиям нагрузок, давления от которых превышают давление от собственного веса одежды, при этом изменение величины удельного давления во времени носит немонотонный характер. Таким образом, при изучении закономерностей поступления воды в дренирующий слой необходимо учитывать кратковременность и многократность воздействия.
4. В зависимости от интервалов между приложениями нагрузки в результате многократного прохода транспортных средств происходит накопление остаточного порово-го давления, что создает условия для интенсивного притока воды в дренирующий слой в течение длительного времени. Величина притока и продолжительность поступления воды в дренирующий слой зависят от характера изменения и времени сохранения остаточного порового давления.
5. Изучение закономерностей поступления воды в дренирующий слой и фильтрации в нем позволит разрабатывать эффективные и относительно дешевые мероприятия по осушению основания дорожных одежд и поверхности рабочего слоя земляного полотна.
Библиографический список
1. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд / Под. ред. И.А. Золотаря. - М.: Транспорт, 1971. - 416 с.
2. Тихонов, А.И. Уравнения математической физики / А.И. Тихонов, А.А. Самарский. - М.: Наука, 1977. - 735 с.
3. Методические рекомендации по проектированию жестких дорожных одежд (взамен ВСН 197-91)/ Министерство транспорта РФ / Гос. Служба дорожного хозяйства (Росавтодор). - М.: ФГУП «ИНФОРМАВТОДОР», 2004. - 135 с.
4. МОДН 2-2001. Проектирование нежестких дорожных одежд / Межправительственный совет дорожников. - М.: ФГУП «СоюздорНИИ», 2002. - 155 с.
5. СНиП 2.05.02-85*. Автомобильные дороги / Госстрой России. - М.: ФГУП ЦПП, 2004. - 54 с.
6. СНиП 2.05.07-91*. Промышленный транспорт / Госстрой России. - М.: АПП ЦИТП, 1996. - 120 с.
7. Подольский, В.П. Технология и организация строительства автомобильных дорог. Т. 1: Земляное полотно / В.П. Подольский, А.В. Глагольев, П.И. Поспелов. - Воронеж: Изд-во ВГУ 2005. - 528 с.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2009
97
