Эффективность повышения степени уплотнения грунтов земляного полотна автомобильных дорог Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 625.7:624.13.001.5

А. О. АФИНОГЕНОВ, аспирант,

ТГАСУ, Томск

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОВЫШЕНИЯ СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Приведен расчет экономического эффекта от повышенного уплотнения грунтов земляного полотна автомобильных дорог. Произведена ориентировочная оценка экономического эффекта.

В ряде работ [1, 2] приводятся данные (к сожалению, без должного обоснования), что при коэффициенте уплотнения 1,03-1,05 прочностные характеристики грунта земляного полотна автомобильных дорог и модуль его упругости повышаются на 30-50 %. Это приводит к снижению толщины дорожной одежды на 10-30 % и уменьшению сметной стоимости строительства на 3,0-6,5 тыс. р. (в ценах 1991 г.).

Нами проведены расчеты на примере карьерных автомобильных дорог, поскольку толщина дорожной одежды, ширина проезжей части на карьерных дорогах значительно больше, чем на дорогах общего пользования, и эффект в абсолютных значениях затрат на 1 км будет значительно выше.

В современных условиях, когда проблема существенного снижения себестоимости перевозок горной массы в карьерах выходит на первый план, повышение требований к прочности земляного полотна, особенно его рабочего слоя, является важным резервом обеспечения экономичности дорожных конструкций и увеличения срока их службы.

Общая толщина слоя переуплотненного грунта может быть образована одним или несколькими последовательно уплотняемыми слоями. Экономически наиболее целесообразно достигать повышенных значений плотностей в верхней части рабочего слоя земляного полотна (толщиной 0,6—1,5 м).

Технологией повышенного уплотнения грунтов предусмотрено использование грунтоуплотняющих машин, создающих нагрузку на грунт, близкую к пределу его прочности. К ним относят вибрационные катки массой не менее 8 т, кулачковые катки массой не менее 18 т, катки на пневмоходу с максимальной массой более 25 т, трамбующие машины. При отсутствии специальных средств уплотнения укатку слоев грунта до значений Купл = 0,98,-1,00 можно производить загруженными карьерными самосвалами.

Экономический эффект от повышенного уплотнения грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна обусловлен снижением суммарных затрат на строительство земляного полотна и дорожной одежды в сравнении с традиционными конструкциями (при условии сохранения повышенной плотности во времени).

Устройство в дорожной конструкции слоя земляного полотна повышенной плотности позволяет уменьшить толщину одного или нескольких конструктивных слоев дорожной одежды. В связи с этим для оценки эффек-

© А.О. Афиногенов, 2008

тивности мероприятий по повышению качества уплотнения грунта необходим перерасчет дорожной одежды для измененных в результате уплотнения характеристик грунта. Порядок расчета дорожной одежды может быть принят по ОДН 218.048-01 [3].

На карьерных дорогах дорожные одежды, как правило, двухслойные. Для технико-экономических расчетов, точность которых для инженерных целей может быть принята в пределах ± 10-15 %, достаточно ограничиться двухслойной моделью дорожной конструкции (покрытие + земляное полотно).

Для получения достаточно общих результатов с минимальными затратами рационально применить математическое моделирование с использованием теории планирования экспериментов.

Для математического моделирования принята следующая модель:

где Сдо - капитальные затраты на строительство 1 км дорожной одежды и земляного полотна; Купл - коэффициент уплотнения грунта земляного полотна; Ндо - эквивалентная толщина дорожной одежды, необходимая по условиям прочности.

При проведении планирования эксперимента необходимо, чтобы варьируемые факторы были независимы друг от друга, поэтому Ндо - это толщина дорожной одежды, полученная расчетом на прочность в зависимости от величины и повторности нагрузки, свойств использованных материалов, при определенной степени уплотнения грунта. Предварительный расчет Ндо не производится (в этом нет необходимости), эта величина нами была принята, все остальные варианты получены созданием равнопрочной конструкции (с учетом изменения плотности грунта). Это условие выполнено следующим образом: эквивалентный (общий) модуль упругости дорожной конструкции должен быть постоянным. При этом применена методика расчета дорожной одежды на прочность, отраженная в ОДН 218.046-01. Учитывая сложность задачи и реальную точность технико-экономических обоснований, для расчетов приняты усредненные значения характеристик. Расчетная схема приведена на рис. 1.

Рис. 1. Расчетная схема дорожной конструкции: 1 - при Купл = 0,90; 2 - при Купл > 0,95

Математическое моделирование произведено в соответствии с матрицей планирования двухфакторного эксперимента. Зависимость модуля упругости

(1)

1)

и других характеристик грунта от коэффициента уплотнения принята по формуле, предложенной проф. О.Т. Батраковым [4]. Для модуля упругости она имеет следующий вид (грунт - глина или суглинок) (рис. 2, 3):

E у = 35046^ ^ exp [-15,78Wp + 8,36wP ] m, (2)

где W-p - расчетная влажность грунта в активной зоне; т - коэффициент, учитывающий климатические особенности района строительства, для Кемеровской области т = 1,24.

Купл

Рис. 2. Зависимость величины модуля упругости грунта от коэффициента уплотнения: 1 - при влажности грунта Ш = 0,7; 2 - Ш = 0,8; 3 - Ш = 0,9

Коэффицент уплотнения

Рис. 3. Зависимость требуемой толщины дорожной одежды от коэффициента уплотнения грунта земляного полотна:

1 - при проектной толщине дорожной одежды НДО = 0,4 м; 2 - НДО = 0,6 м; 3 -НДО = 0,8 м

Расчеты осуществлены с учетом значений характеристик глинистых грунтов, обоснованных проф. В.Н. Ефименко для условий Кемеровской области [5]. Значения коэффициента т получены в результате сопоставления результатов расчетов по формуле проф. О.Т. Батракова с данными проф.

В.Н. Ефименко. Для глинистого грунта в условиях дорожно-климатического района III.Х.4 и 2-го типа местности по условиям увлажнения ЖР = 0,7 (при коэффициенте уплотнения 0,95) по формуле (2) получим:

где З1 - затраты на строительство 1 км земляного полотна и дорожной одежды по базовому (традиционному) варианту; З2 - то же, по предлагаемому варианту с использованием повышенного уплотнения грунтов в земляном полотне; А -общий объем внедрения технологии повышенного уплотнения грунтов, км.

Поскольку по формуле (3) устанавливают разность между затратами по вариантам конструкций, тот же результат можно получить, если определять не все затраты, а только те, которые отличаются по этим вариантам. Например, можно учитывать не все земляное полотно, а только ту его часть, где выполнено повышенное его уплотнение.

Для оценки влияния степени уплотнения грунтов земляного полотна на толщину слоев основания, устраиваемых из различных материалов, должны быть проведены сопоставительные расчеты дорожных одежд. Для сопоставления целесообразно принять наиболее типичные конструкции дорожных одежд, в нашем случае, карьерных автомобильных дорог.

Затраты на устройство покрытия дорожной одежды и земляного полотна получены на основе осредненных данных для Кемеровской области по ГЭСН-2001-01 и ГЭСН-2001-27. В результате расчетов для условий Кузбасса могут быть построены зависимости затрат на устройство оснований и затрат на уплотнение верхнего слоя земляного полотна с учетом коэффициента уплотнения Купл. Расчет материальных затрат на уплотнение грунтов и устройство покрытия выполнен в соответствии с расценками ТЕР-2001-01 и ТЕР-2001-27.

Анализ результатов позволит определить экономический эффект, обусловленный снижением толщины рассмотренных слоев оснований, в пересчете на 1 км дороги.

Для расчетов принят автомобиль БелАЗ-7549 (грузоподъемность 80 т) с расчетным диаметром отпечатка колеса В = 1,21 м. Принято, что дорожная одежда однослойная и выполнена из плотной щебеночно-песчаной смеси С1 фр. 0-40 мм по ГОСТ 25607-94*. Данные значения можно считать усредненными или наиболее типичными, с учетом рассматриваемой задачи (техникоэкономический анализ). Считаем, что это не приводит к существенным ошибкам.

Задача состоит в оценке экономического эффекта при изменении проектной степени уплотнения грунта земляного полотна. Поскольку при увеличении плотности грунта повышаются характеристики его прочности и дефор-

Купл 0,90 1,00 1,10

ЕУ, МПа 35,6 41,7 48,1

Величину экономического эффекта можно установить по формуле

(3)

мируемости, сравнивать необходимо равнопрочные конструкции. Для выполнения этого условия производится определение эквивалентного модуля упругости (Еобщ) исходного варианта дорожной конструкции (дорожная одежда + земляное полотно), толщина дорожной одежды по другим вариантам определяется по значению Еобщ. Рассматривается грунт земляного полотна в пределах активной зоны.

Расчеты осуществлены по стандартной методике ОДН 218.046-01, с учетом конкретных характеристик расчетного автомобиля, дорожной одежды и грунтов земляного полотна (рис. 1). В качестве базового принят вариант дорожной одежды с уплотнением грунта до Купл = 0,90. Если принять за основу другую степень уплотнения, это не повлияет на результаты анализа. Результаты расчетов приведены в табл. 1. При этом принято, что модуль упругости материала дорожной одежды Ед0 = 300 МПа (по ОДН 218.046-01, смесь СО.

Таблица 1

Толщина дорожной одежды, расчет которой выполнен для земляного полотна с различной степенью уплотнения грунта

Значения коэффициента уплотнения, Купл Требуемая по условиям прочности толщина дорожной одежды при начальной (проектной) толщине дорожной одежды, м

0,4 0,6 0,8

0,9 0,40 0,60 0,80

1,0 0,28 0,44 0,72

1,1 0,18 0,36 0,67

Расчетный автомобиль БелАЗ-7549 имеет габарит по ширине 5,36 м, согласно СНиП 2.05.07-91* (табл. 48) для дороги категории 11-к ширина земляного полотна - 21 м. Для технико-экономических расчетов слой повышенного уплотнения принят на глубину 1,5 м, при заложении откосов 1:1,5 объем уплотняемого грунта на 1 км составит 34875 м3.

Технология уплотнения принята в соответствии с требованиями СНиП 3.06.03-85. При этом учтено, что уплотнение производится в два этапа: сначала кулачковыми, решетчатыми катками или катками на пневматических шинах с неполной балластной нагрузкой, затем окончательное уплотнение катками на пневматических шинах массой 25 т. Поскольку при любом требуемом коэффициенте уплотнения затраты на первый этап одинаковы, при сравнении учитывается только второй этап уплотнения.

Для достижения необходимой степени уплотнения грунта количество проходов катка массой 25 т должно быть различным. На практике необходимое количество проходов катка устанавливается экспериментально (пробная укатка). В рамках данной работы это осуществить невозможно, поэтому мы воспользовались данными канд. техн. наук Л.И. Самойловой [2]. С учетом предварительного уплотнения для достижения заданных в эксперименте коэффициентов уплотнения 0,9, 1,0, 1,1 необходимо произвести соответственно 4, 7 и 12 проходов катка массой 25 т. Указанные выше параметры учтены при выполнении сметного расчета.

Как оговорено выше, нами было принято решение использовать ортогональное планирование второго порядка для функции двух переменных: коэффициент уплотнения грунта и проектная толщина покрытия (эквивалентное по прочности однослойное покрытие). Из теории проектирования дорожных одежд известно, что зависимость имеет нелинейный характер. Отметим, что проектная толщина дорожной одежды НдО по отношению к коэффициенту уплотнения является независимым параметром, определяется величиной нагрузки, её интенсивностью и другими факторами. Варьируя степень уплотнения грунта рабочего слоя, можно оценить влияние этого фактора на изменение требуемой толщины дорожной одежды, стоимость конструкции. В качестве функции отклика (зависимой переменной) рассматриваются капитальные затраты на сооружение земляного полотна и дорожной одежды С.

Уровни варьирования факторов приведены в табл. 2, матрица планирования математического эксперимента - в табл. 3.

Таблица 2

Уровни варьирования значений коэффициента уплотнения грунта

земляного полотна и толщины дорожной одежды

Факторы Уровни варьирования факторов Интервал варьирования

нижний средний верхний

Коэффициент уплотнения, Купл 0,90 1,00 1,10 0,10

Эквивалентная проектная (начальная) толщина дорожной одежды, НдО, м 0,4 0,6 0,8 0,2

Таблица 3

Матрица планирования математического эксперимента

№ опыта Купл (Х1) м ) Опытное значение СЭ, млн руб. Теоретическое значение СТ, млн руб. Ошибка эксперимента, %

1 0,90 (-) 0,4 (-) 1,591 1,633 + 4,2

2 1,10 (+) 0,4 (-) 1,102 1,075 + 2,5

3 0,90 (-) 0,8 (+) 2,864 2,901 + 1,3

№ опыта Купл (Я) м ) о' Опытное значение СЭ, млн руб. Теоретическое значение СТ, млн руб. Ошибка эксперимента, %

4 1,10 (+) 0,8 (+) 2,662 2,631 - 1,2

5 1,00 (0) 0,6 (0) 1,798 1,845 + 4,7

6 1,10 (+) 0,6 (0) 1,675 1,733 + 5,8

7 0,90 (-) 0,6 (0) 2,227 2,147 - 3,6

8 1,00 (0) 0,8 (+) 2,689 2,671 - 0,7

9 1,00 (0) 0,4 (-) 1,288 1,259 - 2,2

Результаты расчетов показаны в табл. 3, в ней СЭ - сметная стоимость по конкретному варианту Купл - НдО; СТ - теоретическое значение сметной стоимости, полученное по формуле (4). Подчеркнем, что при определении сметной стоимости в расчетах использовалась толщина покрытия по табл. 1.

Зависимость сметной стоимости дорожной конструкции (по различающимся затратам) в кодированном виде:

С т = 1,845 - 0,207X1 + 0,706х 2 + 0,095X 2 + 0,12х 2 + 0,072х 1Х 2, (4)

где Х\ - коэффициент уплотнения грунта рабочего слоя; Х2 - проектная толщина дорожной одежды при коэффициенте уплотнения грунта рабочего слоя 0,9.

С использованием зависимости (4) и данных табл. 2 получим зависимость в раскодированном виде:

Ст = 12,375 - 21,07Купл + 9,5^ - 0,07Ндо + 3Нд2о, (5)

Формула (5) может быть использована для приближенной оценки стоимости работ в пределах интервалов варьирования факторов (см. табл. 2). Поскольку отношение В12/В0 = 0,039, т. е. менее 5 %, последний член формулы можно исключить (из-за незначительного влияния на результат).

Зависимости (4) и (5) не имеют какого-либо физического смысла, но удобны для анализа совместного влияния отдельных факторов на функцию отклика.

Поскольку эксперимент математический, произвести параллельные опыты невозможно, в этом случае оценку адекватности модели проводят вычислением ошибки расчетов (разность между Сэ и Ст в процентах). Из табл. 3 видно, что максимальная ошибка 5,8 %. Для технико-экономических расчетов это вполне удовлетворительный результат, т. е. полученная модель удовлетворительно описывает исследуемую зависимость. Из формулы (4) следует, что с увеличением значения коэффициента уплотнения стоимость конструкции уменьшается.

На рис. 4, 5 показаны зависимости сметной стоимости дорожной конструкции (дорожная одежда + рабочий слой земляного полотна) от коэффициента уплотнения грунта земляного полотна и требуемой (проектной) толщины дорожной одежды. Можно заметить, что требуемая толщина дорожной одежды в значительной степени определяет капитальные затраты на строительство, но и влияние коэффициента уплотнения весьма существенно.

Из представленных материалов следует, что повышенное уплотнение глинистых грунтов земляного полотна карьерных дорог экономически целесообразно.

Экономический эффект повышенного уплотнения на 1 км карьерной дороги категории 11-к с шириной земляного полотна 21 м составит [см. формулу (3)]:

Коэффициент

уплотнения 0,90 0,95 1,00 1,05

Экономический

эффект, тыс. р. - 175,0 0 127,5 207,0.

Коэффициент уплотнения

Рис. 4. Зависимость стоимости конструкции от величины коэффициента уплотнения грунта земляного полотна:

1 - проектная толщина дорожной одежды НдО = 0,4 м; 2 - НдО = 0,6 м; 3 - НдО = 0,8 м

Проектная толщина дорожной одежды, м

Рис. 5. Зависимость стоимости конструкции от проектной толщины дорожной одежды: 1 - коэффициент уплотнения грунта К^ = 0,90; 2 - К^щ = 1,0; 3 - К^щ = 1,1

Для расчетов в качестве базового варианта принят случай уплотнения грунта рабочего слоя до величины Купл = 0,95 (значение, предусмотренное действующими нормами [6, 7]).

Из представленных материалов можно сделать вполне однозначный вывод о весьма существенном экономическом эффекте и целесообразности повышенного уплотнения грунта рабочего слоя земляного полотна автомобильных

дорог. Причем эффект тем больше, чем выше категория дороги и грузоподъемность (габарит) расчетного автомобиля. Проектная толщина дорожной одежды практически не влияет на величину эффекта от повышенного уплотнения.

Библиографический список

1. Жустарев, Е.В. Некоторые результаты экспериментальных исследований влияния плотности грунта земляного полотна автомобильных дорог в процессе накопления остаточных деформаций / Е.В. Жустарев // Проблемы строительства и эксплуатации автомобильных дорог: сб. науч. тр. / МАДИ-ТУ. - М., 1998. - С. 48-49.

2. Самойлова, Л.И. Новые нормы плотности грунтов с учетом их однородности / Л.И. Самойлова // Совершенствование автомобильных дорог и искусственных сооружений на Северо-Западе РСФСР: сб. науч. тр. / ЛИСИ. - Л., 1987. - С. 102-106.

3. ОДН 218.046-01. Проектирование нежестких дорожных одежд / Минтранс России. -М. : Информавтодор, 2001. - 145 с.

4. Батраков, О.Т. Особенности конструирования и расчета одежд сельскохозяйственных дорог / О.Т. Батраков // Проектирование и строительство сельскохозяйственных дорог: сб. науч. тр. / МАДИ. - М., 1983. - С. 54-56.

5. Ефименко, В.Н. Дорожно-климатическое районирование Кемеровской области / В.Н. Ефименко // Опыт обеспечения эффективности дорожного комплекса Кузбасса: сб. науч. тр. - Томск : Изд-во Том. ун-та, 1997. - С. 62-66.

6. СНиП 2.05.07-91*. Промышленный транспорт / Минстрой России. - М. : ГП ЦПП, 1996 - 112 с.

7. СНиП 2.05.02-85*. Автомобильные дороги / Госстрой России. - М. : ГУП ЦПП, 2006. -55 с.

A.O. AFINOGENOV

THE EFFICIENCY OF INCREASING THE HIGHWAY SOIL COMPACTION

The estimation of economic efficiency obtained because of increased highway soil compaction was made. Estimated calculation of economic benefit was carried out.