Разработка метода расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог

Актуальность темы

Современные методы ведения лесного хозяйства и организации лесопромышленного производства требуют принципиально новых подходов к проектированию лесных (лесовозных и лесохозяйственных) автомобильных дорог, предназначенных не только для вывозки древесины, но и для транспортного обеспечения процессов лесопользования, возобновления и охраны лесных ресурсов. Существующие лесные автомобильные дороги на большей своей протяженности характеризуются низким качеством покрытия, что требует при их реконструкции, капитальном ремонте, а также при новом строительстве уделить особое внимание усилению и повышению качества дорожных одежд.

Разнообразные причины изменения состояния рабочего слоя земляного полотна лесовозных автомобильных дорог приводят к недопустимым деформациям дорожных одежд, следствием чего являются разрушения дорожных покрытий. Повышение интенсивности движения на лесовозных автомобильных дорогах и грузоподъемности транспортных средств способствуют внешнему проявлению участков с недостаточной прочностью. В результате снижается безопасность движения и возрастает себестоимость вывозки древесины.

Многолетний опыт эксплуатации лесовозных автомобильных дорог показывает, что одной из основных причин преждевременного разрушения дорожных покрытий является переувлажнение верхней части рабочего слоя земляного полотна из-за неудовлетворительного состояния дренирующих и водоотводных систем. В основаниях дорожных одежд в период оттаивания рабочего слоя земляного полотна накапливается свободная вода, которая отжимается из грунта при интенсивном движении по дороге лесовозных автопоездов и снижает прочность дорожной конструкции в среднем на 20.30%. Концентрация влаги в зимний период приводит к неравномерным пучениям из-за образования ледяных линз и прослоек, что способствует образованию трещин на дорожных покрытиях. Рекомендуемые для устройства дренирующих слоев дорожных одежд материалы, обеспечивающие эффективное осушение оснований, дорогостоящие, а поэтому необходимо изучить закономерности накопления и перемещения свободной воды в основаниях дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог, устраиваемых из местных дешевых материалов, что позволит разработать адекватный метод расчета таких дренирующих слоев.

Проблема разработки метода расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог актуальна для лесного комплекса, так как ее решение обеспечит повышение транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог, а следовательно и снижение затрат на вывозку древесины. Диссертационная работа выполнена в соответствии с направлением научно-исследовательской работы кафедры транспорта леса и инженерной геодезии Воронежской государственной лесотехнической академии: «Разработка ресурсосберегающих и экологически перспективных технологий лесовозного автомобильного транспорта» (№ гос. регистрации 01.200 103 889) в 2002—2010 годах.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог на стадии проектирования путем разработки метода расчета дренирующего слоя дорожных одежд на основе моделирования перемещения свободной воды в их основаниях под действием колесной нагрузки.

Объектами исследований являются процессы накопления и перемещения свободной воды в основаниях дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог под воздействием колесной нагрузкиматериалы, используемые для устройства дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог.

Методы исследований. Исследования проводились методами: теории фильтрации, строительной механики, математической статистики, имитационного моделирования, испытаний дорожно-строительных материалов.

Значимость для теории. Полученные: уравнение неустановившейся фильтрации воды в рабочем слое земляного полотна под действием колесной нагрузки, учитывающее сложное напряженно-деформированное состояние грунтааналитические зависимости величины остаточного порового давления от величины и времени действия колесной нагрузки, конструкции дорожной одежды и деформативных свойств грунтамодель движения воды в рабочем слое земляного полотна с учетом основных параметров грунтовой среды уточняют расчет требуемой толщины дренирующего слоя дорожных одежд.

Научная новизна:

— разработана математическая модель движения воды в упруго-пластичной среде и ее поступления в дренирующий слой дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог из рабочего слоя земляного полотна, отличающаяся тем, что учитывает действие внешней динамической нагрузки от лесовозных автопоездов и ее распределения по ширине проезжей части;

— предложена математическая модель неустановившейся фильтрации воды в дренирующем слое, отличающиеся учетом движения в капиллярной зоне при наличии инфильтрации сверху от атмосферных осадков и притока снизу от воздействия колесной нагрузки лесовозных транспортных средств;

— установлены закономерности поступления свободной воды в дренирующий слой дорожной одежды в зависимости от величины остаточного порового давления, отличающиеся учетом времени действия колесной нагрузки;

— получена зависимость, описывающая динамику изменения величины избыточного порового давления в условиях динамического нагружения, отличающаяся удовлетворительным соответствием реальному процессу фильтрации воды в переувлажненном рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог.

Научные положения, выносимые на защиту:

— математическая модель движения воды в упруго-пластичной среде и ее поступления в дренирующий слой дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог из рабочего слоя земляного полотна, позволяющая определить приток воды в основание дорожной одежды в зависимости от интенсивности движения лесовозных автопоездов;

— математическая модель неустановившейся фильтрации воды в дренирующем слое, которая позволяет обосновать требования к материалу и размерам дренирующего слоя;

— закономерности движения воды в рабочем слое земляного полотна при многократном нагружении, позволяющие уточнить метод расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог;

— принципы проектирования дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог, позволяющие обеспечивать соответствие проектных решений условиям эксплуатации.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена экспериментальными исследованиями, внедрением при проектировании автомобильных дорог в Калужской и Воронежской областях, применением современных методов имитационного моделирования, компьютерной обработки информации и планирования эксперимента.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные модели, принципы и положения расчета дренирующего слоя позволяют на стадии проектирования заложить требуемый уровень надёжности лесовозных автомобильных дорог для конкретных условий эксплуатации, а также обосновать параметры дренирующего слоя дорожных одежд, выполняемого из дешевых местных мелких песков и тем самым снизить затраты на строительство лесовозных автомобильных дорог. v.

Личное участие автора заключается в определении цели и задач исследований, в разработке математических моделей, планировании и проведении экспериментов, анализе результатов работы.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на юбилейной конференции молодых ученых, посвященной 70-летию образования ВГЛТА (Воронеж, 2000 г.) — на международных научно-практических конференциях: «Проблемы функционирования, стабилизации и устойчивости развития предприятий лесопромышленного комплекса в новом столетии» (Воронеж, 2004 г.) — «Технологии, машины и производство лесного комплекса будущего» (Воронеж, 2004 г.) — «Наука и образование лесного комплекса» (Воронеж, 2005 г.) — на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГЛТА в 2002;2009 годах.

Результаты исследований внедрены: в МУП «Горкомхоз» администрации города Воронежа, ООО «СОЮЗАРХПРОЕКТ» (г. Воронеж), центре дорожно-мостового проектирования «Магистраль» (г. Воронеж) и использованы при разработке проектов автомобильных дорог в Воронежской и Калужской областях.

Публикации. Соискателем по результатам диссертации опубликовано 14 научных статей, в том числе 2 статьи в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ и 5 статей без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы из 86 наименований, 6 приложений. Работа изложена на 161 страницах машинописного текста и включает 21 таблицу и 41рисунок.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Фильтрация воды в основаниях дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог происходит не только за счет гравитационных сил, но и в результате воздействия внешней нагрузки, что описывается полученным в диссертационной работе уравнением неустановившейся фильтрации воды в рабочем слое земляного полотна под действием колесной нагрузки, учитывающее сложное напряженно-деформированное состояние грунта.

2. При воздействии динамической нагрузки на дорожную конструкцию в переувлажненном рабочем слое земляного полотна возникает движение воды, на режимы которого оказывает влияние водопроницаемость грунта, его деформируемость под нагрузкой и интенсивность приложения нагрузки. Интенсивность поступления воды в дренирующий слой обусловливается характером деформирования рабочего слоя земляного полотна при проходе лесовозных автопоездов по дороге.

3. Предложенная модель движения воды в рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог учитывает основные параметры грунтовой среды (напряженное состояние, объем, физические свойства), описывающие поведение грунта и позволяет провести анализ их изменения в процессе воздействия циклической нагрузки от лесовозных автопоездов.

4. Деформирование земляного полотна при действии колесных нагрузок от лесовозных автопоездов сопровождается оттоком воды из активной зоны и фильтрационной консолидацией, характеризующейся увеличением плотности грунта и уменьшением параметров фильтрации, что учтено в разработаной динамической модели рабочего слоя земляного полотна.

5. Полученная теоретическая зависимость, описывающая динамику изменения величины избыточного порового давления в условиях динамического нагружения, удовлетворительно соответствует реальному процессу фильтрации воды в переувлажненном рабочем слое (среднее относительное отклонение расчетных значений от полученных экспериментально составляет 8,2%).

6. Для устранения явлений застоя воды на поверхности рабочего слоя земляного полотна необходимо толщину конструкции дренирующего слоя определять расчетом исходя из его пропускной способности, а материал дренирующего слоя назначать исходя из его гранулометрического состава в зависимости от состава грунта рабочего слоя.

7. Применение дешевых местных мелких песков с Кф > 2 м/сут для устройства дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог наиболее эффективно при вакуум-напоре составляющем 60.70% от толщины слоя песка и устройстве закромочной дрены, что также обеспечивает снижение толщины дренирующего слоя.

8. Сформулированы требования к дренирующему слою дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог и положения расчета его толщины, обеспечивающие соответствие проектных решений условиям эксплуатации. Реализация положений разработанного метода в условиях Калужской (П2 ДКЗ) и Воронежской (IIIь IV ДКЗ) областей обеспечила экономический эффект более 100 тыс. руб на 1 км в текущем уровне цен.