Обоснование рациональных конструкций дорожных одежд с учетом региональных условий работы автомобильных дорог: на примере Западного Казахстана тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Салимбаев, Ермек Кайсаевич

• Салимбаев, Ермек Кайсаевич
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Салимбаев, Ермек Кайсаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Социально-экономические особенности региона.

1.2. Особенности и перспективы развития сети автомобильных дорог в регионе с учетом перспектив ее социально-экономического развития.

1.3. Оценка уровня развития сети автомобильных дорог.

1.4. Данные об используемых дорожно-строительных материалах.

1.5. Применяемые конструкции дорожных одежд в регионе и существующая практика их проектирования, строительства и эксплуатации.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ УСЛОВИЙ РАБОТЫ

ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ТЕРРИТОРИИ РЕГИОНА.

2.1. Постановка вопроса и общая методика проведения исследования.

2.2. Обоснование районирования территории региона по грунтовым условиям

2.3. Изучение особенностей физико-механических свойств грунтов, используемых в земляном полотне автомобильных дорог.

2.4. Обоснование районирования территории области по характеру засоления верхней толщи грунтов.

2.5. Обоснование районирования территории области по температурному " режиму покрытия.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОТЫ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ТРАНСПОРТНЫХ НАГРУЗОК В РЕГИОНЕ.

3.1. Сбор и обобщение данных о составе и интенсивности движения на дорогах с учетом перспектив социально-экономического развития региона.

3.2. Анализ соблюдения условий прочности дорожных одежд, эксплуатируемых в условиях региона.

3.3. Анализ соблюдения условий прочности в конструкциях дорожных одежд капитального типа, реализуемых в проектах вновь строящихся и реконструируемых дорог.

3.4. Оценка результатов, выполненных расчетов конструкций на эксплуатируемых дорогах с точки зрения фактических межремонтных сроков.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ДОРОЖНЫХ

ОДЕЖД ДЛЯ УСЛОВИЙ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА.

4.1. Общая стратегия решения проблемы и уточнение расчетных параметров дорожной конструкции с учетом особенностей региона.

4.2. Применение более совершенных традиционных материалов.

4.3. Применение нетрадиционных конструкций.

4.4. Обоснование параметров вариантов традиционных конструкций капитальных дорожных одежд для условий перспективных нагрузок 130 кНУось.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование рациональных конструкций дорожных одежд с учетом региональных условий работы автомобильных дорог: на примере Западного Казахстана»

Актуальность работы. Характерным примером развивающегося региона является Западный Казахстан. Освоение больших территорий оказалось возможным, в т.ч. благодаря развитию дорожной сети. В ближайшие годы необходимо привести количественные показатели сети в качественные, а состояние автомобильных дорог в соответствие с потребностями населения и экономики региона. В этой связи, чтобы удовлетворять потребностям, в т.ч. в международных и транзитных перевозках, особое значение приобретает опережающее строительство и реконструкция автомобильных дорог.

Главной технической проблемой дорожной отрасли региона является прогрессирующая потеря несущей способности дорожных одежд. Около 80% дорог в области были запроектированы и построены в 60-80-х годах по нормативным требованиям того периода, когда нагрузка на ось расчетного автомобиля устанавливалась не выше 6 тонн. Однако сегодня по транзитным маршрутам области и республики движутся транспортные средства с нагрузкой на ось более 10 тонн, а расчетная нагрузка в нормах Казахстана принята 13 тонн на ось.

Равнинный характер местности и отсутствие существенных снегозаносов в принципе позволяет сооружать насыпи минимальной высоты, что и делалось ранее в условиях региона. Однако, близко залегающие к поверхности, сильно минерализованные грунтовые воды, наличие на определенных участках поверхностных вод (мокрые солончаки) и засоленные грунты вносят свои ограничения, при которых минимальная высота насыпи должна быть не менее 1,5-1,9 м. Снижение высоты насыпи, обеспечивающее уменьшение объемов земляных работ, требует обоснования расчетных параметров земляного полотна при недостаточном его возвышении над источником увлажнения.

Программа развития автодорожной отрасли Республики Казахстан на 2006-2012 годы базируется на итогах реализации предыдущей Государственной программы развития автодорожной отрасли на 2001—2005 годы и направлена на дальнейшее развитие и углубление технических и экономических реформ в автодорожной отрасли. Целью программы является совершенствование сети дорог общего пользования для максимального удовлетворения потребностей населения и экономики страны в автомобильных перевозках. Исполнение Программы позволят восстановить разрушенные участки и улучшить общее транспортно-эксплуатационное состояние автомобильных дорог. Увеличение бюджетных расходов на ремонт и содержание автомобильных дорог по сравнению с предусмотренным Госпрограммой объемом финансирования позволит улучшить транспортно-эксплуатационное состояние 53 % дорог республиканского значения. При выделении средств, предусмотренных Госпрограммой, этот показатель приблизится к 70 %.

В период с 2001 по 2007 гг. значительные ресурсы были направлены на восстановление инфраструктуры общенационального значения. В ближайшие годы необходимо привести количественные показатели в качественное состояние автомобильных дорог в соответствии с потребностью населения, экономики региона и страны в целом.

Развитие автомобильного транспорта как системообразующей инфраструктуры, имеет первостепенное значение для развития производительных сил региона и последующего перехода её на путь устойчивого развития. Особое значение здесь приобретает опережающее строительство и реконструкции автомобильных дорог. В связи с этим перед дорожниками региона стоит задача существенного повышения эффективности функционирования системы дорожной отрасли, отвечающее, условиям развития социально-экономической системы региона и страны в целом. Последнее условие определяется значимостью региона для экономики Республики Казахстана, а также ее местом в формирующейся национальной транспортной системе страны.

Автомобильные дороги существенным образом влияют на уровень экономической активности жителей региона, обеспечивают доступ к рынкам сбыта продукции. Они значительно расширяют возможности трудоустройства населения региона. Общеизвестно, что в странах, где сеть автомобильных дорог не получила должного развития, стоимость предоставления населению социальных услуг в 2-3 раза выше, чем в странах с развитой инфраструктурой. Дорожная инфраструктура также выполняет функции межрегиональных и межгосударственных связей, удовлетворяя потребности в международных и транзитных перевозках. Это в большей степени касается Западного Казахстана, по которому проходят международные коридоры.

Эффективность функционирования автомобильных дорог региона должна оцениваться на двух уровнях: по социально-экономическому эффекту, достигаемому в сфере реальной экономики Казахстана, в том числе области вне дорожного хозяйства, и по технико-экономическому эффекту, возникающему внутри самого дорожного хозяйства региона, за счет улучшения дорожной сети.

В связи с началом реализации международного проекта автомобильной дороги «Западный Казахстан - Западный Китай» и завершение строительства моста через реку Кигач на границе Астраханской области Российской Федерации и Республики Казахстан в ближайшей перспективе в регионе увеличится движение автотранспорта, в том числе с большими осевыми нагрузками, что необходимо учитывать при обосновании рациональных конструкций дорожных одежд.

В долгосрочной перспективе в Республике Казахстан в целом и его западных территориях задача модернизации автомобильных дорог определена в качестве одного из важнейших приоритетов стратегии развития республики.

В связи с этим, учет региональных условий работы дорожных конструкций в Западном Казахстане и обоснование рациональных конструкций дорожных одежд дает возможность повышать прочность и долговечность автомобильных дорог, увеличивать межремонтные сроки и снижать расходы на эксплуатацию автомобильных дорог и затраты на перевозку грузов и пассажиров.

Целью настоящей диссертационной, работы является разработка, на основе сбора и обобщения данных об условиях проектирования, реконструкции и эксплуатации автомобильных дорог в Западном Казахстане, рекомендаций по назначению конструкций дорожных одежд, отвечающих требованиям повышения нагрузок и интенсивности движения с учетом местных региональных условий, как природных, так и условий движения.

В качестве основных задач исследования приняты:

1) уточнение дорожно-природного районирования территории Западного Казахстана;

2) обоснование расчетных параметров земляного полотна при недостаточном его возвышении над уровнем грунтовых вод для учета этого при проектировании долговечных дорожных одежд;

3) разработка предложений по уточнению расчетных характеристик грунтов и асфальтобетона, используемых при расчете дорожных одежд для условий региона, на основе обобщения имеющихся данных и дополнительных полевых и лабораторных исследований;

4) оценка наиболее характерных конструктивных решений по существующим и проектируемым дорожным одеждам, применяемым в области, с учетом перспективного роста транспортных нагрузок и действующих в настоящее время в дорожной отрасли нормативно-методических документов;

5) разработка предложений по перспективным конструктивным решениям, учитывающим условия работы дорожных одежд для региона.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- дорожно-природное районирование региона;

- методика уточнения расчетных характеристик грунтов земляного полотна при его недостаточном возвышении над уровнем грунтовых вод;

- уточненные расчетные температуры асфальтобетонного покрытия;

- результаты проверки существующих, реконструируемых и вновь проектируемых конструкций дорожных одежд по различным нормативно-методическим документам;

- предложения по совершенствованию конструкций дорожных одежд для условий области с учетом повышения осевых нагрузок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложена схема дорожно-природного районирования территории региона, позволяющая на стадии обоснования инвестиций укрупнено оценить условия строительства будущей автомобильной дороги;

- уточнены расчетные характеристики грунтов земляного полотна при недостаточном возвышении его над уровнем грунтовых вод;

- уточнена расчетная температура асфальтобетонного покрытия для условий региона;

- выявлены различия в результатах расчета традиционных дорожных одежд, используемых в регионе, по различным нормативно-методическим документам;

- предложены перспективные варианты конструкций дорожных одежд для условий региона с учетом нарастающих осевых нагрузок.

Практическая ценность работы заключается в разработке ряда положений и предложений по конструктивно-технологическим решениям, которые обеспечивают повышение надежности и долговечности дорожных одежд в условиях региона, с учетом перспективного роста осевых нагрузок.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:

- рабочих совещаниях администрации акимата Атырауской области 20062008 гг.;

- международных научно-практических конференциях Межправительственного совета дорожников 2005 - 2008 гг.;

- на международной научно-практической конференции в г. Щучинск, Республика Казахстан, 2007 г.;

- на международной научно-практической конференции в Белгороде, 2007г.;

- на научно-практической конференции МАДИ (ГТУ), 2008г.

- на расширенных заседаниях кафедры «Изыскания и проектирование автомобильных дорог» МАДИ (ГТУ), 2007 и 2008 гг. 8

Публикации. По отдельным разделам диссертации имеется 14 публикаций, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из основного текста, включающего введение, четыре главы и заключение. Список литературы содержит 161 наименование. К основному тексту имеется 7 приложений. Основной текст изложен на 136 стр., включает в себя 24 рис. и 26 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Салимбаев, Ермек Кайсаевич

Выводы по главе 3

1. В настоящее время фактические межремонтные сроки службы нежестких дорожных одежд в условиях рассматриваемого региона оказываются существенно меньше нормативных.

2. Одна из причин этого заключается в том, что применяемые конструкции нежестких дорожных одежд с точки зрения действующих методов расчета оказываются недостаточно прочными по различным критериям уже при расчетных нагрузках 10 т/ось.

3. Увеличение расчетных нагрузок однозначно требует применения более прочных конструкций. Введение директивных норм расчетной нагрузки в 13 т/ось может существенно отразиться на сокращении межремонтных сроков, если не принять меры по усилению существующих и применению более прочных вновь проектируемых дорожных одежд.

4. Поскольку единовременное усиление конструкций всех автомобильных дорог общего пользования невозможно, необходимо организовать специальную службу мониторинга на дорогах с целью установления фактического состояния и принятия оперативных решений по выполнению требующихся ремонтных работ. Началом функционирования системы мониторинга должно быть определение фактического объема модуля упругости конструкции при сдаче автомобильной дороги в эксплуатацию после ее строительства или капитального ремонта.

5. Методика расчета дорожной одежды, рекомендуемая в МОДН 2-2001, базирующаяся на методике ВСН 46-86, представляется достаточно обоснованной и позволяющей получать более осторожные решения, чем методика СН РК 3.03-192003. в связи с этим методику СН РК целесообразно использовать для получения практических данных в порядке накопления опыта.

ГЛАВА 4. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ДЛЯ УСЛОВИЙ ЗАПАДНОГО КАЗАХСТАНА

4.1. Общая стратегия решения проблемы и уточнение расчетных параметров дорожной конструкции с учетом особенностей региона

Совершенствование конструктивных решений по дорожным одеждам в любом случае принципиально может идти: по пути уточнения расчетных параметров используемых при применении традиционных дорожных конструкций с учетом особенностей региона; по пути применения более совершенных традиционных дорожно-строительных материалов в традиционных конструкциях; по пути применения нетрадиционных конструкций. [30, 34, 46, 48, 59,

89]

Уточнение параметров в данном случае может быть связано с характеристиками грунтов рабочего слоя земляного полотна, а также с уточнением конструктивных параметров самого земляного полотна, прежде всего, с точки зрения опасного влияния грунтовых вод. В рассматриваемом регионе вопросы морозного пучения не являются определяющими, что связано с одной стороны с засушливостью климата, а с другой - с особенностями свойств засоленных грунтовых вод.

Применение более совершенных традиционных материалов подразумевает улучшение и укрепление грунтов и дискретных слоев вяжущими. При этом в данном случае должны учитываться для грунтов ограничения, связанные с засолением.

Применение нетрадиционных конструкций предусматривает использование различных геосинтетических материалов в качестве армирующих, разделяющих и водоизолирующих прослоек.

Рассмотрим кратко возможности реализации этих направлений.

Возможные уточнения параметров связываются, прежде всего, с особенностями свойств грунтов, и конструкций земляного полотна, определяющих, в значительной степени, расчетную влажность грунта, а следовательно и значения его расчетных прочностных и деформационных характеристик.

Уточнения могут быть связаны с особенностями прочностных и деформационных свойств грунтов, используемых в рабочем слое земляного полотна.

Первым шагом к реализации этого пути может быть -использование регионального дорожно-природного районирование, позволяющего хотя и приближенно, но получить представление, какие грунты могут попасть в рабочий слой на том или ином участке проектируемой автомобильной дороги. Указанное районирование может также использоваться для оценки характера засоления грунтов, попадающих в рабочий слой. Дальнейшее уточнение параметров, связанных с грунтами, возможно только по результатам детальных инженерно-геологических изысканий.

Региональное дорожно-природное районирование может оказать помощь при определении расчетных значений механических характеристик слоёв дорожной одежды, сооружаемых на основе органических вяжущих, т.к. оно (районирование) позволит определить расчетную температуру покрытия.

Учитывая сказанное, мы сочли целесообразным предложить для практического использования дорожно-природное районирование Атырауской области, обоснование которого изложено во второй главе, где объединены районирование территории по видам грунтов, по характеру засоления и по расчетным положительным температурам. В качестве добавления к последнему, на рис. 2.11 и 2.12 представлены графики, отражающие влияние температуры на величину расчетного модуля упругости.

4.2. Применение более совершенных традиционных материалов

В данном случае речь, прежде всего, может идти о применении способов улучшения и укрепления грунтов, т.е. о технической мелиорации.

Благодаря работам советской школы грунтоведения и, прежде всего, дорожного грунтоведения, возглавляемой профессором В.М.Безруком, в свое время были разработаны эффективные методы улучшения и укрепления грунтов. К сожалению, в настоящее время это прогрессивное во всех отношениях направление реализуется совершенно недостаточно.

Существовали разные причины для возникновения такого положения. Одна из них - дефицит необходимой техники, обеспечивающей высокое качество перемешивания грунта с вяжущим. Другая причина заключалась в том, что основное дорожное строительство велось в районах, относящихся к II дорожно-климатической зоне, где погодно-климатические, да и грунтовые условия не очень благоприятны для реализации этой технологии. Немаловажная причина заключалась и в том, что применение укрепленного местного грунта взамен привозных дорогостоящих материалов не очень приветствовалось подрядчиками. В значительно больших объёмах укрепление грунтов выполнялось в зарубежных странах, где в качестве вяжущего широко применялись цемент и известь.

Уточнение параметров может быть связано с характеристиками грунтов рабочего слоя земляного полотна, а также с уточнением конструктивных параметров самого земляного полотна, прежде всего, с точки зрения опасного влияния грунтовых вод. В рассматриваемом регионе вопросы морозного пучения не являются определяющими, что связано с одной стороны с засушливостью климата, а с другой - с особенностями свойств засоленных грунтовых вод.

Применение более совершенных традиционных материалов подразумевает улучшение и укрепление грунтов и слоев вяжущими. При этом, в данном случае для грунтов должны учитываться ограничения, связанные с засолением.

В настоящее время существуют два основных направления технической мелиорации грунтов:

- укрепление с помощью вяжущих;

- улучшение с помощью так называемых стабилизаторов.

Второе направление получило развитие в последние годы и заключается в том, что в грунт вводится химическое вещество (в малых количествах), способствующее получению более плотной структуры грунта при уплотнении.

Это направление может быть весьма эффективным в условиях IV и V дорожно-климатических зон, где для возведения насыпей приходится использовать грунты с влажностью ниже оптимальной (так называемые «недоувлажненные» грунты).

Однако опыт применения этой технологии на постсоветском пространстве крайне ограничен, а применительно к засоленным грунтам вообще отсутствует. Так что этот путь - дело будущего, т.к. требует серьёзных исследований.

Что касается укрепления грунтов минеральными вяжущими, то имеются соответствующие нормативно-методические документы, которые могут обеспечить широкое внедрение метода. Так что внедрение этого метода в условиях региона вполне реально, хотя и требует учета наличия засоленных грунтов. И конструкции с укреплением грунтов вяжущими достаточно реальны для региона и требуется только соответствующее внимание к этой технологии со стороны заказчиков.

4.3. Применение нетрадиционных конструкций

Одним из перспективных направлений в решении проблемы совершенствования конструкций дорожных одежд, как уже отмечалось выше, представляется применение, так называемых нетрадиционных конструкций дорожных одежд, под которыми понимают конструкции с различного рода геосинтетическими прослойками.

Применение геосинтетики в строительстве вообще и в дорожном строительстве в частности уже имеет свою историю, хотя и не очень продолжительную.

За рубежом геосинтетику в виде геотекстилей начали применять с конца 60-х годов. Первые работы, проведенные в Советском Союзе, относятся к середине 70-х годов. Уже с самого начала одной их самых перспективных областей с точки зрения использования геосинтетики стало транспортное строительство и в частности - дорожное строительство.

В настоящее время, если говорить о производстве геосинтетики, то на мировом рынке предлагается большое количество различных материалов в виде геотекстилей, геосеток, георешеток (геосот)геоплит и геонитей.

Предлагаемые материалы различаются по исходному сырью, технологии получению, расходу полимера, физико-механическим характеристикам, ширине полотен и т.п. Классификация геосинтетических материалов, используемых в строительстве, разработанная Российским обществом по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению представлена в табл. 4.1.

В выпущенной Международным обществом по механике грунтов и геотехнике в 1993 г. монографии, посвященной примерам применения геосинтетики в мировой практике, отмечено 138 различных объектов, и из них 30 — непосредственно дорожные и аэродромные объекты, на которых применены в том или ином виде геосинтетические изделия, и около 20 примеров косвенно связаны и с дорожной проблематикой.