CC BY
51
РАЗДЕЛ II
СТРОИТЕЛЬСТВО. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
В этом году исполнилось 50 лет специальности «Автомобильные дороги и тоннели». За 50 лет выпускниками специальности стали более 15000 человек, которые работают практически во всех регионах нашей страны, от Камчатки до Калининграда. Кафедра имеет огромное количество положительных отзывов от работодателей. Из 9 сотрудников кафедры двое являются докторами наук, профессорами, четверо - кандидатами наук, трое - старшими преподавателями. Трое молодых преподавателей на кафедре работают над кандидатскими диссертациями. На кафедре «Мосты» есть лаборатория, в которой проводятся исследования по совершенствованию мостов и транспортных тоннелей.
Поздравляем сотрудников кафедры с юбилеем!
УДК 625.731: 658.5
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ
Т.В. Боброва, Е.А. Бедрин, А.А. Дубенков
Аннотация. Рассмотрены вопросы формирования системы взаимосвязанных показателей, включающей расчетные параметры устойчивости дорожных конструкций на многолетнемерзлых грунтах (ММГ), организационные и экономические характеристики процессов строительства и эксплуатации этих конструкций, для прогнозирования и оценки эффективности принимаемых решений. Представлены примеры расчетов эффективности дорожных конструкций на ММГ за период жизненного цикла с использованием первого и второго принципов проектирования.
Ключевые слова: прогнозирование, устойчивость конструкций на ММГ, эффективность.
Введение
Обследования эксплуатируемых дорог на многолетнемерзлых грунтах (ММГ), особенно во 13 дорожно-климатической зоне, показывают, что значительная часть из них имеет многолетние затухающие и вновь возобновляемые неравномерные осадки, что приводит к существенному ухудшению условий движения автомобильного транспорта [1,2,3].
Как показывает зарубежный и отечественный опыт, проблему обеспечения качественного и экономичного строительства дорожных насыпей на мерзлоте, невозможно решить без применения прогрессивных конструктивных и организационнотехнологических решений.
В работе [4] приведен структурный анализ эффективности инноваций по Федеральному дорожному агентству, в котором отмечается, что количественная оценка эффектов от внедрения инноваций, связанных с устройством, ремонтом и содержанием земляного полотна не производится. Авторы обзора объясняют это обстоятельство отсутствием соответствующих расчетных инструментариев для такой оценки. Можно в определенной степени согласиться с данным замечанием, особенно в отношении конструкций земляного полотна на вечно мерзлых грунтах (ВМГ), так как при строи-
тельстве в северных регионах экономическая эффективность и долговечность дорожных конструкций, прежде всего, определяется степенью надежности и устойчивости земляного полотна, т.е. требует интегрирования в единую систему технических и экономических показателей.
Основная часть. В соответствии с современными методами экономической оценки эффективности инновационных мероприятий в дорожном строительстве необходимо учитывать не только капитальные вложения, но и дисконтируемые эксплуатационные затраты на ремонт и содержание дорог, доходы пользователей дорог, а также экологические результаты дорожной деятельности за период срока службы дорожной конструкции [5]. Технико-экономическое сравнение и выбор вариантов конструктивных и организационнотехнологических решений должны производиться на основе прогнозных оценок технического состояния автомобильной дороги.
В настоящее время проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты в РФ осуществляют, руководствуясь преимущественно одним из двух принципов [6,7]:
первый - обеспечение поднятия верхнего горизонта вечномерзлых грунтов (ВГВМГ) не ниже по-
дошвы насыпи и сохранение его на этом уровне в течение всего периода эксплуатации дороги;
второй - допущение оттаивания грунта деятельного слоя в основании насыпи в период эксплуатации дороги при условии ограничения осадок допустимыми пределами для конкретного типа покрытия.
Устойчивость насыпи на многолетнемерзлых грунтах обеспечивается ее высотой и конструктивными решениями, при которых ВГВМ будет сохраняться в критический по балансу тепла год (не более 1 раза в 11 лет) на требуемой (допустимой) глубине, а осадка насыпи в оттаявшие грунты основания не будет превосходить допустимой величины. При этом устойчивость земляного полотна влияет на устойчивость всей дорожной конструкции. Потеря устойчивости дорожной насыпи может привести к полному или частичному (существенное снижение скорости автомобилей) отказу автомобильной дороги.
Теоретические исследования и инженерная практика для регулирования температурного режима пород в нужном направлении рекомендуют различные мероприятия, позволяющие направленно изменять процессы тепло- и массообмена на поверхности земляного полотна, используя естественные ресурсы холода или тепла, в том числе конструктивно-технологические решения и способы производства работ, оказывающие на грунты основания сооружений охлаждающее действие, не допуская их многолетнего оттаивания (слои насыпи из переувлажненных глинистых грунтов, торфа, прослойки из скальных грунтов в качестве «продухов» и т. д. [3,8].
Величина осадок земляного полотна зависит не только от состояния и свойств грунтов основания, но и от величины внешней нагрузки, обусловленной главным образом высотой и конструкцией насыпи. Поэтому при проектировании насыпей возникают три основные задачи: назначение высоты насыпи; определение величины осадки; выбор про-тиводеформационных мероприятий.
Противодеформационные мероприятия, проектируемые с целью обеспечения устойчивости и нормальной работы земляного полотна в условиях эксплуатации, разделяют на конструктивные и организационные. К конструктивным мероприятиям относят: увеличение ширины основной площадки земляного полотна, назначаемое в зависимости от расчетной величины осадки грунтов основания; создание запаса по высоте насыпи; устройство берм; применение специальных конструкций насыпей. Организационно-технические мероприятия включают указания, определяющие способы и время производства работ, меры по минимальному нарушению естественного растительно-мохового покрова и др.
Трудности технического прогнозирования состояния дорожных объектов на ММГ связаны с недостаточной и неполной информацией о фактическом состоянии различных дорожных конструкций с применением новых материалов и технологий в межремонтный период. Как правило, оценка эффективности инновационных решений базируется на увеличении сроков службы и снижении затрат
при эксплуатации дороги. Иногда разработчики ссылаются на зарубежные источники или лабораторные испытания. Эти показатели не всегда подкреплены наблюдениями за реальными объектами в различных климатических условиях РФ и в дальнейшем должны уточняться, так как при назначении новых конструктивных решений необходимо исключать субъективный подход.
Поскольку затраты на сооружение и эксплуатацию земляного полотна существенно зависят от возможной осадки грунтов основания и тела насыпи в нормативной и научной литературе предлагаются различные методы ее прогнозирования. Прогнозирование - это способ научного предвидения, в котором используется накопленный опыт и вырабатывается научно обоснованное суждение о возможном состоянии объекта в будущем. При этом, в отличие от экономического, научно-технический прогноз определяет натурально-вещественное состояние прогнозируемого объекта.
Согласно общей теории прогнозирования [9] процесс прогнозирования можно представить как некоторое операторное преобразование (П) исходной информации об исследуемом объекте в виде ее отображения на будущее, ограниченное глубиной прогноза:
П: {I, Туп}^ R (1)
где П -оператор прогнозирования; I -информация об исходном состоянии объекта ; Туп -период упреждения прогноза (горизонт прогноза); R - результат прогноза.
Оценка прогноза выполняется в определенных, наиболее вероятных внешних условиях. Из большого количества методов прогнозирования наиболее приемлемы для прогнозирования состояния дорожных конструкций методы комбинированного и структурного прогнозирования, позволяющие найти решение при сохранении функций объекта, но при изменении значений внешних параметров прогнозирования. Например, в качестве моделей структурного прогнозирования можно использовать модели теплофизических режимов в жизненном цикле конструкций [7, 10, 11].
Проверка адекватности моделей реальному состоянию объекта осуществляется с использованием формальных критериев в том случае, если имеются надежные статистические параметры модели и реального объекта. В прогнозировании состояния дорожных объектов на ММГ предлагается использовать также различные методы прямой и косвенной верификации прогнозных моделей, т.е. сопоставление результатов, полученных с использованием разных методов прогнозирования. Для оценки точности прогнозирования используют коэффициент парной корреляции между последовательностями прогнозных значений для разных моделей. Наиболее распространенными оценками точности прогнозирования являются средняя ошибка аппроксимации и средняя квадратическая ошибка прогнозов.
Различные методы прогнозирования теплотехнического режима дорожных конструкций позволяют оценить необходимые объемы земляных работ для компенсации строительных и эксплуатационных
осадок. Расчет дополнительных объемов работ за счет осадки при строительстве по 2-му принципу выполняют по методике, приведенной в [1].
Суммарную осадку S насыпей определяют по формуле
£ = + £Д = SС + £ Э ( 2)
где ЭО - величина осадки, возникающая при оттаивании ММГ основания, см; £д - осадка насыпи за счет деформации грунтов деятельного слоя, см; £С, £Э - осадки, происходящие соответственно в
строительный и эксплуатационный периоды, см.
Процесс формирования осадок насыпей во времени за счет оттаивания и уплотнения ММГ основания можно описать зависимостями на основе экспериментальных данных для конкретных регионов и типов конструкций дорог. Так, в работе [1] прогнозируемая осадка описывается формулой
8 = Эд +в(1 - е”), (3)
где е-основание натурального алгоритма; Т -время осадки оттаявших грунтов основания, годы;
- параметры зависимостей, отражающие влияние местных условий на осадку оттаивающих грунтов основания (для насыпей от 2 до 4м в =79.000; / = -0.070).
Строительные осадки грунтов основания как на стадии рекогносцировочных изысканий, так и на стадии составления рабочих чертежей для разной высоты насыпи определяют по формулам [7]. В расчетах строительной осадки грунтов следует учитывать время производства работ (лето, зима), технологию и организацию возведения земляного полотна и подготовительных работ.
Для отработки методики техникоэкономического обоснования были выполнены экспериментальные исследования десяти вариантов конструктивных решений земляного полотна на высокотемпературной островной мерзлоте во 13 ДКЗ по первому и второму принципам проектирования. Теплотехнические расчеты конструкций выполнены на основе двух типов моделей: 1-по методике [7], 2- по методике [10]. Выполнена верификация результатов расчета и отобраны для следующих этапов оценки эффективности те конструкции, которые дали положительные прогнозные оценки по двум типам моделей.
В качестве примера оценки эффективности рассмотрим два типа конструкций земляного полотна автомобильной дороги III технической категории. (рисунок 1, а, б) Конструкция дорожной одежды представлена в следующем виде: покрытие из горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона типа “Б” II марки на модифицированном битуме ПБВ 130, толщиной її = 5 см; верхний слой основания из пористого крупнозернистого асфальтобетона II марки на битуме марки БНД 90/130, толщиной її = 7 см; основание из черного щебня,
приготовленного в установке, уложенного по способу заклинки, толщиной 11 = 8 см; Нижний слой основания из щебеночно-песчаной смеси С-4, толщиной 1 = 22 см; рабочий слой грунта земляного полотна из крупнообломочного грунта 1 = 100 см. Характеристики конструктивных слоев земляного полотна приведены на схеме (Рис.1).
Снижение затрат на второй вариант конструкции (1-б) получено за счет:
- уменьшения объема привозных качественных грунтов и открывающихся возможностей использования в нижней части насыпи местных мерзлокомковатых грунтов с сохранением их в мерзлом состоянии с помощью конструктивных методов.
- сокращения сроков строительства и ускорения ввода дороги в эксплуатацию;
- повышения надежности и долговечности конструкции, устраиваемой с сохранением вечной мерзлоты;
- снижения экологического ущерба при строительстве дорог в зоне вечной мерзлоты;
- снижения затрат на ремонтные работы.
Распределение строительных затрат во времени соответствует следующим графикам производства работ.
Вариант 1. Строительство земляного полотна по типу конструкции 1а осуществляют в летнее время из талых грунтов. Заготовку талого глинистого грунта выполняют частично в предшествующий летний период, частично по мере оттаивания из резервов в летнее время. Очистка полосы отвода от леса и кустарников выполняется в зимнее время. Растительный слой сохраняется. Дорожную одежду строят в две стадии: 1-щебеночное основание - через год после строительства земляного полотна и досыпки земляного полотна на величину осадки деятельного слоя под насыпью. Учитывая продолжительный период стабилизации осадки основания насыпи при летнем строительстве земляного полотна, к строительству покрытия приступают только на третьей стадии - в летнее время.
Вариант 2. Сооружение земляного полотна по типу конструкции 1б осуществляют в зимнее время из мерзлых грунтов. В предшествующий летний сезон осуществляют подготовку карьеров со снятием растительного слоя, Заготовку торфа выполняют ранней весной с просушиванием в валах в летнее время. После просушивания осуществляют заготовку торфопесчаной смеси для укрепления откосов. Осенью ведут подготовку карьеров к буровзрывным работам. Очистку дорожной полосы от лесы и кустарника выполняют после промерзания растительного слоя в начале зимы. В этот же период готовят автозимники и землевозные дороги для эксплуатации в зимний период при строительстве земляного полотна. Должен быть обеспечен водоотвод от земляного полотна путем устройства водоотводных канав в летнее время. В зимнее время устраивают специальные мерзлотные валики. Разработку мерзлых глинистых грунтов и скального грунта осуществляют буровзрывным методом. Строительство нижнего слоя основания по этому варианту предусматривается в следующий летний сезон, укрепленных слоев основания и покрытия через год.
Для упрощения расчетов из всех положительных результатов от строительства дороги в данном примере учтен только эффект в сфере транспорта, рассчитанный по формуле
сравнении: старая дорога-новая дорога), тыс.руб.; D-количество дней эксплуатации дороги в Им году; L - протяженность эксплуатируемого участка дороги, км.
(4)
где -среднегодовая суточная интенсивность движения в ^м году; с - среднее снижение себестоимости одного автомобиле-километра (при
а)
б)
.Ж
-6 600
_______________________________________________
Рис.1. Схемы конструкций земляного полотна :
1(а) - второй принцип проектирования: 1-Крупнообломочный грунт; 2-Суглинок легкий; 3-Почвенно-растительный слой; 4- Щебенистый грунт с супесчаным и суглинистым твердым заполнителем до 27,4%; 5 - Дресвяный грунт с супесчаным и суглинистым заполнителем, мерзлый, малольдистый;
6 - Верхний горизонт вечно мерзлых грунтов (ВГВМГ). 1(б) первый принцип проектирования:
1 - Крупнообломочный грунт; 2 - Суглинок легкий мерзлый; 3, 5 - Геотекстиль; 4 - Крупнообломочный скальный грунт; 6 - Торф; 7 - Почвенно-растительный слой; 8 - Щебенистый грунт с супесчаным и суглинистым твердым заполнителем до 27,4%; 9 - ВГВМГ до строительства насыпи (после строительства поднят к основанию насыпи); 10 - Дресвяный грунт с супесчаным и суглинистым
заполнителем, мерзлый, малольдистый.
Среднесуточная интенсивность движения и прирост интенсивности приняты по проектным данным. Включение других видов доходов (социального и внетранспортного) мало изменит соотношение
результатов по двум вариантам, но сократит сроки окупаемости капиталовложений.
Моделирование дисконтированных удельных затрат и доходов из расчета на 1км участка дороги
выполнено за расчетный период 17 лет и представлено на рисунке 2. По результатам расчета интегрального дисконтированного эффекта преимущество имеет второй вариант. Для более точной оценки влияния организационных решений на результаты эффективности возможно введение переменной шкалы шага дисконтирования. Если за
точку приведения принять дату ввода дороги в эксплуатацию, то капитальные вложения в строительство можно дисконтировать с шагом в один квартал, затраты после ввода дороги в эксплуатацию -с шагом в 1год.
Рис. 2. Интегральный дисконтированный эффект по двум варианта
Заключение
Все дорожные проекты при строительстве на многолетнемерзлых грунтах должны рассматриваться и оцениваться с точки зрения их эффективности при сравнении вариантов дорожных конструкций на протяжении срока службы до капитального ремонта. Важную роль при этом играет прогнозирование технического состояния дорожной конструкции в период жизненного цикла и методы организации строительства. При недостаточном объеме статистических данных велика степень неопределенности при оценке устойчивости земляного полотна. Данное обстоятельство требует расширить объемы опытного строительства и длительного наблюдения за состоянием дорог, построенных с использованием различных инновационных решений.
Как альтернативный вариант возможно применение различных методик комбинированного прогнозирования на основе проверки адекватности моделей реальным процессам и их верификации.
Библиографический список
Перетрухин Н.А. Взаимодействие земляного полотна и вечномерзлых грунтов / Н.А. Перетрухин, Т.В. Потатуева. - Томск: Изд-во Том. ун-та. 1987. -160с.
Бедрин Е.А. Обеспечение устойчивости земляного полотна дорог на многолетнемерзлых грунтах/ Е.А. Бедрин, В.Н.Лонский// Материалы научнопрактической конференции: «Проблемы проектирования, строительства, реконструкции, ремонта и содержания автодорог с применением новых технологий и материалов. Иркутск. 2010. С 2-3
Давыдов В.А. Автомобильные дороги на Крайнем Севере и в зоне Вечной мерзлоты России: учеб. пособие / В.А.Давыдов. - М., 2010. - 218с.
Дингес Э.В. Оценка эффективности инноваций в дорожных организациях / Э.В. Дингес, А.В. Чва-нов // Научно-технический информационный сборник «Новости в дорожном деле», вып.6. - М.,2009.
- 64с.
Руководство по оценке экономической эффективности использования в дорожном хозяйстве инноваций и достижений научно-технического прогресса. ОДМД / Министерство транспорта РФ, Ро-савтодор.- М., 2002. - 71 с.
СНиП 2.05.02-85* Автомобильные дороги. Утв. Госстроем СССР.- Введ 1987-01-01. М.: ЦИТП Госстроя СССР 1986, с изменениями №1-№5 , 1987 -2003г - 56с.
Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в условиях вечной мерзлоты: ВСН 84-89 / Минтрансстрой: Введ. 30.03. 1989. Взамен ВСН 84-75. - М.: Союздорнии, 1990. - 271 с
Методические рекомендации по проектированию и строительству земляного полотна в зоне вечной мерзлоты с использованием разрыхленных мерзлых грунтов , сохраняемых в мерзлом состоянии во время эксплуатации (для опытноэкспериментального строительства). ФГУП «Со-юздорНИИ», введены распоряжением Минтранса РФ N ОС -905-р от 15.10.2003. (в развитие ВСН 8489).
.Саркисян С.А. Теория прогнозирования и принятия решений / С.А. Саркисян. - М.: Высшая школа, 1977. - 351с.
Завьялов М.А. Математическая модель деятельного слоя грунта, функционирующего как тепловой диод/ Завьялов А.М., Завьялов М.А., Бедрин
Е.А. // Омский научный вестник. Омск. № 2(100). 2011. Серия Приборы, машины и технологии. С. 9
- 13.
Шестаков В.Н. Методологический аспект прогнозирования теплофизического режима в жизненном цикле дорожной конструкции / В.Н. Шестаков // Вестник СибАДИ: Научный рецензируемый журнал.
- Омск: СибАДИ. - №4(18). Юбилейный выпуск -2010. - С.51-55.
PREDICTING THE EFFECTIVENESS OF ROAD CONSTRUCTION ON PERMAFROST SOILS
T.V. Bobrova, E.A.Bedrin, A.A. Dubenkov
The problems of integrating the design parameters for the stability of road constructions in permafrost soils (PS), institutional and economic characteristics of the processes of construction and operation of these structures in a single system of indicators to predict and evaluate the effectiveness of decisions. The examples of calculations of the efficiency of road construction on PS for the period of the life cycle using first and second principles of design.
Боброва Татьяна Викторовна - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Экономика и
управление дорожным хозяйством» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований
- разработка и совершенствование методов и моделей организации производства в дорожной отрасли. Имеет 145 опубликованных работ. E-mail: bobrova.tv@gmail.com
Бедрин Евгений Андреевич - канд.техн.наук, доцент, начальник отдела ОАО «Омский СоюзДор-НИИ». Основное направление научных исследований
- Разработка ресурсосберегающих технологий в дорожном строительстве. Имеет 35 опубликованных работ. E-mail: BEDRIN-EA@yandex.ru
Дубенков Андрей Алексеевич - аспирант Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление исследований - Обоснование конструктивных и организационно-технологических решений при строительстве дорог на многолетнемерзлых грунтах. Имеет 4 опубликованных работы.
E-mail: hrnt@mail.ru
УДК 624.21
УЧЁТ ВЛИЯНИЯ ДЛИТЕЛЬНО действующих процессов ДЕФОРМИРОВАНИЯ БЕТОНА НА НАПРЯЖЁННОЕ СОСТОЯНИЕ БАЛОЧНЫХ РАЗРЕЗНЫХ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЁТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ
П.П. Ефимов
Аннотация. В работе изложена методика анализа изменения напряжённого состояния сталежелезобетонного сечения от ползучести бетона с учётом изгибной жёсткости железобетонной плиты проезда. В основу методики положена модифицированная теория ползучести бетона.
Ключевые слова: сталежелезобетон; ползучесть бетона; изгибная жёсткость.
Введение. Существенным, длительно действующим, фактором, влияющим на напряжённо деформирование состояние сталежелезобетонных пролётных строений, является ползучесть бетона. Современные нормы проектирования мостов указывают, что при определении влияния ползучести бетона на напряжённое состояние сталежелезобетонной конструкции следует учитывать изгибную жёсткость железобетонной части конструкции.
Основные теоретические положения. Отметим, что ползучесть бетона, это его свойство неупруго деформироваться при длительном на него силовом воздействии. Если бетонный элемент единичной длины подвергнуть кратковременному силовому воздействию, то он практически мгно-
венно сдеформируется на величину е0 -
условно-упругую деформацию (Рисунок 1). Однако если сохранить постоянным это силовое воздействие на длительный период, то процесс деформирования бетонного элемента будет продолжаться в течение всего времени его загруже-ния - кривая I (Рисунок 1), т.е., как это принято говорить, деформации элемента войдут в область ползучести.
В случае применения сборной железобетонной плиты проезжей части, то к моменту её включения в совместную работу со стальной балкой
проходит какой-то период времени . Если
напряжения в бетоне плиты остались бы постоянными, то его деформации во времени можно ха-
