CC BY
16
УДК 625.7/.8:658.511.2 (571.1/.5)
ЕФИМЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, abura2008@rambler. ru
ЕФИМЕНКО СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, svefimenko_80@mail. ru
БАДИНА МАРИЯ ВЛАДИМИРОВНА, канд. техн. наук, доцент, badina1201@rambler. ru
ГРИГОРЬЕВ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003. Томск, пл. Соляная, 2
ТЕХНОЛОГИЯ УЧЕТА РЕГИОНАЛЬНЫХ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ ТЕРРИТОРИЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ)
Приведен алгоритм уточнения дислокации границ дорожно-климатических зон на территориях отдельных административных образований с применением методов математического моделирования. Рассмотрены особенности формирования состава и свойств глинистых грунтов на территории Западной Сибири, схема и результаты исследований расчётных показателей свойств грунтов, применяемых при проектировании нежёстких дорожных одежд на территории Западной Сибири.
Ключевые слова: дорожно-климатическая зона, дорожный район, расчетная влажность, глинистые грунты, модуль упругости, дорожная одежда.
EFIMENKO, VLADIMIR NIKOLAYEVICH, Dr. of tech. sc., prof., abura2008@rambler. ru
EFIMENKO, SERGEY VLADIMIROVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof., svefimenko_80@mail. ru
BADINA, MARIA VLADIMIROVNA, Cand. of tech. sc., assoc. prof, badina1201@rambler. ru
GRIGORJEV, ALEKSANDER VIKTOROVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof., Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia
THE ACCOUNT OF REGIONAL NATURAL-CLIMATIC CONDITIONS AT SPECIFICATION OF NORMS OF DESIGNING THE ROADS (ON AN EXAMPLE OF WESTERN SIBERIA TERRITORY)
The algorithm of visual alignment of boundaries of road-climatic zones has been carried out on the territories of separate administrative formations with the use of methods of mathematic modeling. The features of the formation of the composition and properties of clay soils in Western Siberia, the scheme and investigation results of the calculated indices of clay soils nature at designing of non-rigid pavements in Western Siberia areas have been considered in the paper.
Keywords: road-climatic zone, road area, the calculated moisture content, clay soil, the elasticity module, road pavements.
© В.Н. Ефименко, С.В. Ефименко, М.В. Бадина, А.В. Григорьев, 2011
По мнению ряда специалистов [1, 2] существующее дорожно-климатическое районирование, приведенное в СНиП 2.05.02-85* [3], нельзя признать полностью удовлетворяющим требованиям по обеспечению качества проектирования и строительства автомобильных дорог. Решение обозначенной проблемы возможно лишь при детализации зон, выделенных в середине прошлого столетия на территории бывшего СССР для целей проектирования, строительства и ремонта, а также содержания автомобильных дорог. Вместе с тем научно-исследовательские работы по уточнению существующего дорожного районирования в настоящее время в России единичны и бессистемны, хотя теоретико-методические основы для их выполнения ранее достаточно широко опубликованы специалистами в области изучения водно-теплового режима земляного полотна и оснований дорожных одежд автомобильных дорог, например, профессорами И.А. Золотарём, Н.А. Пузаковым, В.М. Сиден-ко, А.Я. Тулаевым и их учениками.
Опыт исследовательской работы в области проектирования и строительства автомобильных дорог в сложных малоизученных природных условиях указывает на важность рационального учёта региональных факторов при уточнении дорожно-климатического районирования применительно к территории конкретного административного образования [4].
В связи с этим специалистами кафедры автомобильных дорог Томского государственного архитектурно-строительного университета был выполнен комплекс работ, направленный на уточнение норм проектирования автомобильных дорог на территории Томской, Тюменской, Новосибирской, Кемеровской областей и Алтайского края (II, III и IV дорожно-климатические зоны по СНиП 2.05.02-85*). При этом в процессе исследований установлено, что границы дорожно-климатических зон могут существенно смещаться по сравнению с приведенными в СНиП [3].
Уточнение границ дорожно-климатических зон, подзон и районов для отмеченных выше административных образований реализовано по следующему алгоритму:
1. Исходные данные, т. е. параметры, характеризующие дорожно-климатическую зону, представляют в виде матрицы тхп, где п - количество изучаемых объектов (в нашем случае - населенные пункты); т - количество признаков, характеризующих зону.
2. Стандартизируют исходные данные, представляя их безразмерными случайными величинами с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией.
3. С помощью метода главных компонент факторного анализа находят один главный фактор, комплексно описывающий дорожно-климатическую зону. Этот фактор и является линейной комбинацией параметров зоны. Значение фактора служит критерием отнесения данной территории к той или иной дорожно-климатической зоне.
4. По известным значениям фактора в точках наблюдений строят функцию и(х, у), где х, у - координаты точки земной поверхности. В качестве аппроксимирующей функции выбирают полином. Коэффициент полинома определяют методом наименьших квадратов.
5. Строят линии уровня функции и(х, у), по которым и определяют границы дорожно-климатических зон.
По такому же алгоритму производят выделение подзон и районов по группам интразональных и региональных параметров.
На заключительном этапе производят наложение полученных результатов и выделяют однородные территории по всем признакам.
Главной задачей уточнения границ существующего дорожно-климатического районирования применительно к отдельным регионам или территории России является выделение таких районов, в пределах которых однотипные дорожные конструкции (по категории автомобильной дороги, характеру грунта, наименьшему возвышению поверхности покрытия над уровнем грунтовых вод или длительно стоящих поверхностных вод) будут характеризоваться примерно одинаковой прочностью и устойчивостью (рис. 1). При этом целевое районирование для проектирования и строительства автомобильных дорог предполагает установление расчётных значений характеристик грунтов для назначения конструкций земляного полотна и дорожных одежд, имеющих заданный уровень надёжности.
Рис. 1. Карта дорожно-климатического районирования части территории Западной Сибири (Кемеровская, Новосибирская, Томская области и Алтайский край):
II, III, IV - дорожно-климатические зоны; Р, Х, Г - подзона по типу рельефа (равнинный, холмистый, гористый); 1-4 - номера дорожных районов
Для выделенных на территории Томской, Тюменской, Новосибирской областей и Алтайского края дорожных районов был выполнен комплекс иссле-
дований по обоснованию расчётных характеристик грунтов земляного полотна для проектирования нежёстких дорожных одежд по условию прочности [7].
Следует отметить, что сеть автомобильных дорог на территории Западной Сибири распространена неравномерно. Наибольшая её протяжённость наблюдается в районах с развитой промышленностью и сельским хозяйством. Поэтому натурные измерения влажности грунтов земляного полотна, а также характеристик прочности и деформируемости можно выполнить не для всех территорий региона. В этой связи назначение расчётной влажности глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог было осуществлено путём теоретического моделирования [8].
Наиболее полно процессы миграции и влагонакопления в земляном полотне отражены в работах профессоров-дорожников И.А. Золотаря, Н.А. Пу-закова, В.М. Сиденко, М.Б. Корсунского, В.И. Рувинского, А.И. Ярмолинского и др. Разработанные ими методы прогноза, влажности и других свойств грунтов земляного полотна, как правило, предназначены для конкретных природно-климатических условий и не могут применяться повсеместно. Сопоставление результатов определения влажности глинистых грунтов земляного полотна на основе прогноза и по фактическим наблюдениям [9] позволили принять в исследованиях метод проф. И. А. Золотаря как базовый.
Сущность этого метода заключается в последовательном прогнозировании осенней и весенней влажности грунта земляного полотна с учётом: характера увлажнения земляного полотна; глубины расположения грунтовых вод осенью; возвышения верха земляного полотна Нв над уровнем грунтовых вод, см; коэффициента влагопроводности грунта земляного полотна; продолжительности периода осеннего влагонакопления твл, которую устанавливают с учётом метеорологических характеристик района; особенностей конструкции дорожной одежды; характеристики скорости промерзания дорожной конструкции.
Математическая модель назначения расчётной влажности глинистых грунтов земляного полотна для 2, 3-го типов местности по увлажнению, разработанная проф. И. А. Золотарём, была уточнена нами в части определения скорости их промерзания в условиях Западной Сибири.
Для определения расчетной влажности грунта в условиях глубокого залегания грунтовых вод применена зависимость, предложенная проф. В.Н. Ефименко [10], позволяющая учитывать температурно-влажностный режим отдельных дорожных районов.
Всего было обследовано более 50 титулов автомобильных дорог Западной Сибири, для которых осуществлено около 150 штамповых испытаний конструкций дорожных одежд и земляного полотна, отобраны пробы грунтов для лабораторных испытаний.
Полевые и лабораторные исследования позволили установить состав и свойства грунтов рабочего слоя земляного полотна автомобильных дорог. Рабочий слой земляного полотна автомобильных дорог региона исследований слагают в основном глинистые грунты - пылеватые супеси и суглинки.
Для оценки возможности объединения результатов исследований однотипных видов грунтов, установленных на территориях административных образований, была выполнена статистическая обработка экспериментальных данных.
Статистическая обработка включала в себя оценку совокупностей значений, полученных в процессе испытаний, на присутствие «выскакивающих» вариантов и проверку возможности объединения серий испытаний в один статистический ряд.
При этом было установлено, что 3 % экспериментально полученных данных необходимо выбраковать как ошибочные или не относящиеся к генеральной совокупности.
Вследствие объединения рядов результатов наблюдений были установлены функциональные зависимости Егр = /(Жот), фф = /(Жот) и Сгр = /(Жот) для супесей пылеватых, суглинков лёгких пылеватых и суглинков тяжёлых пылеватых. Эти зависимости лучше всего аппроксимируются экспоненциальной кривой (рис. 2).
Относительная влажность грунта
Рис. 2. График зависимости модуля упругости в глинистом грунте (супесь пылеватая) земляного полотна от его относительной влажности
В частности, для модуля упругости супеси пылеватой получено соотношение
Егр = 28,95 + 49297,25 • е44’9^ , (1)
где Егр - модуль упругости грунта, МПа; WоT - относительная влажность грунта рабочего слоя земляного полотна, д. ед.
Теснота связи между исследуемыми параметрами оценивалась коэффициентом детерминации и составила В2 = 0,88, что дает основание для использования уравнения (1) при определении расчетных значений модуля упругости для суглинистых грунтов рабочего слоя земляного полотна на территории Западной Сибири.
Результаты исследований позволили рекомендовать значения характеристик влажности, прочности и деформируемости глинистых грунтов для выделенных на территории Томской, Тюменской, Кемеровской, Новосибирской областей и Алтайского края дорожных районов в виде таблиц. Например, в таблице приведены значения характеристик глинистых (суглинки легкие и тяжелые, глины) грунтов земляного полотна для участков дорог с 1-м типом местности по увлажнению на территории Новосибирской области.
Расчетные значения характеристик глинистых грунтов (пылеватые суглинки и супеси) рабочего слоя земляного полотна в условиях 1-го типа местности по характеру и степени увлажнения для дорожных районов, выделенных на территории Новосибирской области
Индекс дорожного района Административный пункт в долях единицы Е -^гр? МПа фгр, град. С ^гр? МПа
II.P1 Кыштовка Колывань 0,84 21,0 12 0,048
ІІ.Х.1 Сокур 0,78 23,0 13 0,050
ІІ.Г.1 Черепаново 0,80 22,5 13 0,049
III.P1 Венгерово 0,67 28,5 18 0,056
ІІІ.Р.2 Болотное 0,79 23,0 13 0,049
Ш.Р.3 Татарск Чистозёрное 0,70 27,0 17 0,054
ІІІ.Р.4 Новосибирск Кочки 0,61 33,0 22 0,061
ІІІ.Р.5 Сузун 0,67 28,5 18 0,056
ІІІ.Х.1 Ордынское 0,77 23,5 14 0,050
ІУ.Р.1 Купино Карасук 0,67 29,0 18 0,056
Отметим, что результаты экспериментальных исследований по определению характеристик прочности и деформируемости глинистых грунтов в Западной Сибири свидетельствуют о различиях со значениями, приведёнными в ОДН 218.046-01 [11]. Так, фактические значения расчётной влажности глинистых грунтов на 7-10 % выше (в зависимости от типа местности по характеру и степени увлажнения) приведённых в ОДН 218.046-01 «Проектирование нежёстких дорожных одежд». Рекомендованные ОДН 218.046-01 значения угла внутреннего трения (фгр) завышены на 17-32 % по сравнению с результатами фактических исследований. Значения удельного сцепления (Сгр), приведённые в ОДН 218.046-01, для супесей завышены на 14-28 %, а для суглинков занижены на 13-24 %. Значения модуля упругости (Егр) глинистых грунтов по сравнению с расчётными величинами, полученными в результате фактических наблюдений, завышены на 25-30 %.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ефименко, В.Н. Пути обеспечения эксплуатационной надёжности автомобильных дорог в природных условиях Сибири / В.Н. Ефименко, С.В.Ефименко, М.В.Бадина // Транспортное строительство / Транспорт Российской Федерации. - 2007. - № 1. - С. 1S-19.
2. Ушаков, В.В. Дорожно-климатическое районирование автомобильной дороги «Амур» Чита - Хабаровск но условиям строительства и эксплуатации / В.В. Ушаков, В.Н. Ефименко, А.В. Вишневский // Автомобильные дороги. - 2007. - № 5. - С. 77-79.
3. СНиП 2.05.02-85*. Автомобильные дороги/ Госстрой России. - М. і ГУП ЦПП, 2001. - 56 с.
4. Разработка методики дорожно-климатического районирования. Этан 1 і отчет о НИР. РК № 01200706921, Инв. № 02200704240. - Томск і Том. гос. архит.-строит. ун-т, 2005.
5. Прикладная статистика Классификация и снижение размерности / нод ред. С.А. Айвазяна. - М. і Финансы и статистика, 19S9. - 607 с.
6. Kaiser, H.F. The varimax criterion for analytic rotation in factor analysis / H.F. Kaiser. - Psy-chometrica, 195S. - 154 p.
7. Ефименко, С.В. Обоснование расчетных значений характеристик глинистых грунтов для проектирования дорожных одежд автомобильных дорог (на примере Западной Сибири) і автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Омск, 2006. - 23 с.
S. Ефименко, В.Н. Методические основы дорожно-климатического районирования территории Юго-Востока Западной Сибири / В.Н. Ефименко // Известия вузов. Строительство. - 2002. - № 10. - С. S7-90.
9. Полищук, А.И. Расчётные значения характеристик глинистых грунтов для проектирования автомобильных дорог / А.И. Полищук, С.В. Ефименко // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2005. - № S. - С. 66-71.
10. Ефименко, В.Н. Дорожно-климатическое районирование территории юго-восточной части Западной Сибири / В.Н. Ефименко // Разработка рациональных методов проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог и мостові сб. статей / нод ред. В.М. Картопольцева. - Томск і Изд-во Том. ун-та, 19S1. - С. 14-23.
11. ОДН 218.046-01. Проектирование нежёстких дорожных одежд / Гос. служба дор. хоз-ва М-ва транспорта Российской Федерации. - М., 2001. - 14S с.
