WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

БУРГОНУТДИНОВ Альберт Масугутович

ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБОВ СТРОИТЕЛЬСТВА

И РЕМОНТА ЛЕСОВОЗНЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ,

ПРЕПЯТСТВУЮЩИХ ОБРАЗОВАНИЮ ТРЕЩИН

(на примере Пермского края)

Специальность 05.21.01 – «Технология и машины

лесозаготовок и лесного хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Йошкар-Ола

2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (ПНИПУ).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор

Юшков Борис Семёнович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент

Савельев Валерий Владимирович

доктор технических наук, профессор

Бурмистрова Ольга Николаевна

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Уральский государственный лесотехнический университет»

(г. Екатеринбург)

Защита состоится «29» мая 2012 г. в 9.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.115.02 при ФГБОУ ВПО «Марийский государственный технический университет» по адресу: 424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, ул. Ленина, д. 3, МарГТУ, конференц-зал, тел. (8362) 68-68-05, 68-68-74.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках ФГБОУ ВПО «Марийский государственный технический университет» (МарГТУ) и ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (ПНИПУ).

Автореферат разослан «25» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор

П.Ф. Войтко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы. В стратегии развития лесопромышленного комплекса России на период до 2020 года, рассмотренной и одобренной на ХIII Петербургском Международном лесном форуме, обозначена реализация проектов по комплексной переработке древесины, развитию инфраструктуры лесного дорожного строительства. С целью конкурентоспособности предприятий необходимо интенсивное ведение лесного хозяйства, в том числе создание густой сети лесных дорог и круглогодичное использование автомобильных дорог общего пользования.

Существующие технологические схемы и способы улучшения эксплуатационных свойств грунтов рабочего слоя дорожной конструкции не всегда имеют достаточную эффективность, что связано со слабой изученностью процессов образования трещин на лесовозных автомобильных дорогах (ЛАД) при отрицательных температурах. Поэтому экспериментально-теоретические исследования, направленные на определение причин образования трещин в зимний период на участках сопряжения насыпи с выемкой ЛАД, и разработка способов борьбы с этим криогенным процессом определяют актуальность выбранной темы.

Цель диссертационной работы. Обоснование способов строительства и ремонта лесовозных автомобильных дорог, препятствующих образованию трещин.

Объект исследований – морозобойные трещины в сопряжениях насыпей с выемками лесовозных автомобильных дорог и способы их устранения.

Предметом исследования является математическое описание физико-механических процессов образования морозобойных трещин и теплофизических свойств грунтов и материалов.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием методов математического моделирования, теории вероятностей и математической статистики. При проведении лабораторных и полевых исследований использовались методы теории планирования эксперимента, фотохронометражные наблюдения. Для обработки полученных данных применялись прикладные программные пакеты MS Exel, БАГИРА, Corel Draw 13, GeoStudio-2007, Plaxis, РАДОН.

Научная новизна:

– установлены причины и раскрыт механизм образования морозобойных трещин в дорожных конструкциях ЛАД в виде алгоритма учёта различия физико-механических и теплофизических свойств грунтов в местах сопряжений насыпей с выемками;

– разработана методика решения теплофизических задач, отличающаяся описанием зон появления морозобойных трещин на участках перехода от насыпи к выемке, учитывающая коэффициенты влаго- и теплопереноса;

– разработана конструкция и экспериментально проверена технология ремонта земляного полотна ЛАД, отличающаяся электрохимическим закреплением (ЭХЗ) глинистых грунтов сульфатом магния;

– разработана методика теплотехнического расчёта толщины укладываемого в дорожную конструкцию теплоизолирующего материала при строительстве ЛАД, отличающаяся учётом свойств нового материала и его устойчивостью к действиям динамических нагрузок и улучшением теплофизических свойств земляного полотна.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

  1. Теплофизические причины образования морозобойных трещин, позволяющие устанавливать и прогнозировать долговечность асфальтобетонных покрытий лесовозных дорог на участках перехода от насыпей к выемкам.
  2. Методика решения теплофизических задач в зоне образования морозобойных трещин, учитывающая влаго- и теплоперенос на участках сопряжений насыпей с выемками.
  3. Результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств глинистых грунтов при электрохимическом закреплении в виде регрессионных зависимостей, позволяющие определить параметры ЭХЗ.
  4. Результаты экспериментальных исследований изменения теплофизических свойств дорожной конструкции в виде регрессионных зависимостей при использовании теплоизолирующего материала в слоях дорожной одежды, позволяющие устранить причину образования морозобойных трещин и увеличить срок службы ЛАД.

Научная и практическая значимость. Результаты исследований позволяют учитывать причину образования морозобойных трещин на ЛАД при разработке и принятии конструктивных решений по выбору метода борьбы с данным явлением.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждаются: методами математической статистики и математического моделирования; использованием общепринятых положений механики грунтов, мерзлотоведения, теплотехники и метода расчёта деформации слоёв дорожной конструкции; выполнением экспериментальных исследований с помощью современного оборудования и средств измерений (термодатчиков, месдоз общего давления, хромель-копелевых термопарных проводов, многоканальных регистраторов тепловых процессов, электронных термометров, тепловизора и др.), прошедших метрологическую проверку; сопоставимости полученных результатов с данными натурных исследований (15 %), обеспечивающими достаточный уровень надёжности ЛАД.

Личное участие автора в получении результатов.

Под руководством автора проводились лабораторные, полевые и экспериментальные исследования грузопотока и интенсивности движения на ЛАД Пермского края, физико-механических свойств дорожно-строительных материалов и грунтов земляного полотна; рецептуры электролитов при электрохимическом закреплении и выбор теплоизолирующего материала по тепломеханическим показателям; предложены технологии строительства и ремонта ЛАД. Автором проведены обработка экспериментальных данных, анализ и обобщение результатов исследований.

Реализация работ. Результаты исследований внедрены при реконструкции автомобильных дорог М 7 Пермь – Екатеринбург (км 134+010) и «Восточный обход» (км 23+100) для улучшения физико-механических свойств глинистых грунтов ЭХЗ; при строительстве лесовозной автомобильной дороги Золотанка – С.Колчим и «Обход Полазна» (км 27+480); ремонте лесовозных автомобильных дорог Горнозаводск – Тёплая Гора (км 68…72) и Чусовая – Горнозаводск (км 46+320) где был использован теплоизоляционный слой из пенополистирола в конструкции дорожной одежды.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО ПНИПУ по специальности 270205 «Автомобильные дороги» при дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на Всесоюзной студенческой научно-технической конференции (Москва, 1986; Владимир, 1987); Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых (Новосибирск, 1995); Международной конференции по механике грунтов (Малайзия, 1995); 24-й Европейской конференции по механике грунтов и фундаментам мелкого заложения (Чехословакия, Брно, 1996); Международной научно-практической интернет – конференции (Киев, 2011); областных и городских научно-технических конференциях молодых специалистов и ученых (Пермь, 1987…2005); на научных семинарах (Пермь, 1991…2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ общим объёмом 3,7 п.л. (авторских – 2,5 п.л.), в том числе три статьи в научных журналах, рекомендуемых ВАК РФ (1,313 п.л.), авторский вклад – 70 %, пять статей в тезисах международных научных конференций и шесть статей по материалам всероссийских НТК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и 8 приложений. Объём работы составляет 225 страниц машинописного текста, в том числе 150 страниц основного текста, 36 рисунков, 25 таблиц, список литературы на 20 страницах из 230 наименований, в том числе 10 на иностранном языке, и 55 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, научная новизна, сформулированы цель и задачи исследования, приведена общая характеристика диссертационной работы.





В первой главе обоснованы современные тенденции и перспективы развития лесозаготовок и вывозки лесоматериалов автотранспортом по лесовозным дорогам Пермского края с усовершенствованными типами покрытий.

Вопросами организации работ лесовозных автопоездов занимались многие ученые, такие как В.И. Алябьев, В.С. Гончаров, И.Н. Кручинин, В.В. Савельев, М.Ю. Смирнов и др. Их работы, в частности, посвящены проблеме формирования автопоездов и определения их рейсовой нагрузки на дорожную конструкцию лесовозной автомобильной дороги. Выявлено, что срок службы лесовозных дорог резко сокращается из-за воздействия природных криогенных процессов и критических нагрузок, возрастают эксплуатационные расходы, что приводит к росту финансовых и материальных ресурсов на строительство долговечных автомобильных трасс.

Большой вклад в решении физических аспектов природных криогенных процессов в грунтах внесли учёные: П.И. Андрианов, В.Н. Агей-кин, А.А. Бартоломей, М.Н. Гольдштейн, Б.И. Долматов, Э.Д. Ершов, Н.А. Цытович, В.Н. Шестаков, Б.С. Юшков и др.

Физико-химическая природа процессов влагопереноса связана с действием термодинамических процессов, которые в значительной степени исследованы в трудах С.Д. Воронкевича, Н.В. Горелышева, Б.В. Дерягина, Г.Н. Жинкина, Н.Н. Иванова, СВ. Нерпина, Б.А. Ржаницина, Н.В. Чураева, Б.А. Савельева и др.

Проблемы промерзания и оттаивания сезоннопромерзающих глинистых грунтов и связанных с этим процессов и явлений изложены в работах Э.Д. Ершова, С.П. Качурина, В.А. Кудрявцева, В.О. Орлова, М.И. Сумгина, Н.И. Толстихина, В.И. Фёдорова.

Имеющиеся данные об исследованиях влияния природных факторов на долговечность ЛАД показывают, что в районах с суровыми климатическими условиями трещины в асфальтобетонных покрытиях являются одним из основных факторов преждевременного разрушения дорожных конструкций. Для различных дорожно-климатических зон доля этого дефекта колеблется в пределах 40…80 % от общего количества деформаций покрытия.

Процессы, происходящие в дорожной конструкции ЛАД, подчиняются закону теплопроводности:

q = - ,   (1)

где Jt и JW – удельное теплосодержание воды, переносимой внутри грунта по градиенту температуры и градиенту влажности; – градиент температуры грунта; – градиент влажности грунта; k – коэффициент влагопроводности грунта; плотность сухого грунта; – термоградиентный коэффициент, – коэффициент теплопроводности, q – теплопроводность.

Предварительный анализ состояния вопроса показывает, что глубоких исследований по определению причин образования морозных трещин на участках сопряжений насыпей с выемками в покрытиях ЛАД не имеется, и в связи с этим сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе выполнены и изложены результаты лабораторных и полевых экспериментальных исследований, направленных на изучение происходящих в сезоннопромерзающих грунтах физических и термодинамических процессов на участках сопряжений насыпей с выемками ЛАД.

Экспериментальные лабораторные исследования искусственно уплотнённых насыпных грунтов и грунтов естественной структуры проводились в двух типах контейнеров размерами 6050120 см. У первых контейнеров стенки и дно были обшиты листовым пенополистиролом ПСБ-С-35 для исключения оттока тепла в боковом направлении и вниз, у вторых – дно по всей длине было обшито листовым пенополистиролом URSA. Экспериментальные исследования выполнены в холодильной камере VEB ILKA TBV 1000 при различных отрицательных температурах, сравнимых с естественным фоном в Пермском крае. Ветровой поток от вентилятора позволял имитировать низовую метель, которая способствовала промораживанию верхних слоёв дорожной конструкции модели автомобильной дороги. Для чистоты экспериментов в термобарокамере TBV-1000 регулировалась температура от – 30 °С до + 5°С, а также создавалась влажность, близкая к атмосферной.

В ходе экспериментальных работ было обнаружено, что на образцах появляются, а со временем увеличиваются морозобойные трещины в связи с изменением водно-теплового режима. В процессе экспериментов фиксировались время, место появления и направление развития трещин, которые развиваются в направлении снизу вверх, в местах сопряжения моделей насыпи и выемки (рис. 1).

Лабораторными опытами было установлено, что температура начала замерзания грунта насыпи составляет 0 оС, а в выемке – минус 0,5 оС, что в дальнейшем подтвердилось при полевых исследованиях. Поэтому многократно повторяющийся процесс сезонного промерзания и оттаивания дорожной конструкции в местах сопряжения насыпи с выемкой приводит к концентрации напряжений на данных участках и, соответственно, появлению поперечных трещин с различным шагом. В связи с тем, что на территории Пермского края грунты частично засолены, а также вследствие плотности грунта и низкой температуры окружающей среды (до минус 50 оС на севере края) часть жидкой фазы не промерзает в течение всего морозного периода, происходят диффузия водяного пара, миграция жидкой фазы и льдообразование. Жидкая фаза испаряется и замерзает, водяной пар конденсируется на жидкой или твёрдой фазе. Наличие или отсутствие жёстких структурных связей между частицами глинистого грунта существенно влияет на значения коэффициента теплопроводности. Это объясняется тем, что передача тепла в грунте выемки осуществляется от частицы к частице через жесткие связи, а в насыпях – через плёнки связной воды, обволакивающие глинистые частицы. Поэтому коэффициент теплопроводности для грунта естественной структуры в выемке всегда выше, чем у грунта насыпи с нарушенной структурой.

Рис. 1. Модель участка сопряжения насыпи с выемкой: 1 – асфальтобетонные слои; 2 – щебень фракционированный; 3 – песчано-гравийная смесь; 4 – песок; 5 – суглинок

Специальными исследованиями установлено, что у грунтов с нарушенной структурой, имеющих влажность 33 %, значение коэффициента теплопроводности ниже, чем у природных грунтов, влажностью 28 %. Коэффициент фильтрации у природного грунта в 1,22 раза выше, чем у грунтов с нарушенной структурой.

На участках сопряжений в глинистых грунтах с ненарушенной структурой тепло и влага распространяются быстрее, чем в грунтах с нарушенной структурой. При этом в грунтах с нарушенной структурой относительная скорость перемещения влаги выше скорости распространения тепла. Поэтому в полевых условиях на участках сопряжений насыпей с выемками в осенне-зимний период будут происходить процессы образования морозобойных трещин в рабочем слое земляного полотна за счёт разницы коэффициентов фильтрации и теплопроводности на участках сопряжений насыпи с выемкой. В дальнейшем морозобойные трещины выходят через нижележащие слои дорожной конструкции на поверхность асфальтобетонного покрытия, которое является термодинамически активным слоем. Регулярные исследования, проводимые с применением тепловизора за изменением температурного режима на опытном участке ЛАД в течение 2 лет, позволили установить, что глубина промерзания грунта на выемках меньше, чем в насыпях (табл. 1).

Таблица 1. Глубина промерзания грунта делового слоя дорожной конструкции на участке сопряжения насыпи с выемкой

Элемент дороги

Годы

2010

2011

Wгрунта, %

W/WL

Tзамер, 0С

Нпромез, м

Wгрунта, %

W/WL

Tзамер, 0С

Нпромер, м

выемка

27,6

0,63

– 0,26

1,45

31,2

0,70

– 0,17

1,56

насыпь

26,5

0,60

– 0,35

1,86

23,9

0,57

– 0,46

1,90

Примечание: Wгрунта – влажность грунта, W – влажность замерзающего грунта, WL – влажность грунта на границе текучести, Tзамер – температура замерзания, Нпромер – глубина промерзания

В первый зимний период (2010 г.) разница в глубине промерзания грунта выемки и насыпи составила 41 см, а во второй зимний сезон (2011 г.) – 34 см.

Наблюдения показали, что в местах соприкосновения талого грунта выемки с мёрзлым грунтом насыпи образуется вертикальный слой льда толщиной 1,0…1,5 см (рис. 2, В).

За счёт разницы величин глубины промерзания глинистого грунта (1,86 – 1,45 = = 0,39 м) в местах сопряжения насыпей с выемками образуются трещины, заполненные льдом высотой до 20 см, величиной раскрытия 9 мм в верхней части талого с мёрзлым грунтом (рис. 2, А).

В весенний период оттаивание глинистого грунта происходит в насыпи наиболее интенсивнее, чем в выемке, что приводит к увеличению размеров морозобойной трещины (рис. 2, Б). По мере оттаивания глинистого грунта насыпи происходит образование вертикальных линз льда в месте перехода насыпи в выемку. Высота этих линз льда составила 60 см.

Грунт насыпи полностью оттаял к 15 мая, а грунт с ненарушенной структурой выемки – к 1 июня. Резкое изменение температуры воздуха ночью и днем в весенний период привело к увеличению раскрытия морозобойной трещины, размер которой на поверхности покрытия составил 5…14 мм.

Асфальтобетонное покрытие ЛАД ускоряет процесс образования морозобойной трещины на участках сопряжений насыпей с выемкой за счёт изменения температуры на поверхности покрытия, рельефа местности и температуры окружающей среды (рис. 3).

А

Б

В

Рис. 2. Образование морозобойной трещины: А – в осенний период; Б – в весенний период; В – образование сталактита льда: 1 – асфальтобетонное покрытие, 2 – верхний слой основания, 3 – нижний слой основания, 4 – грунт земляного полотна, 5 – трещина, 6 – талый природный грунт; 7 – корпус лотка; 8 – утеплитель стенок из пенополистирола; 9 – сталактит льда

       

Рис. 3. График глубины промерзания грунта на участке сопряжения насыпи с выемкой: 1 – грунт насыпи; 2 – кривая промерзания; 3 – зона сопряжения насыпи с выемкой; 4 – грунт выемки

С целью разработки мероприятий по ликвидации причин образования морозобойной трещины в нулевых отметках были проанализированы различные типовые решения по восстановлению несущей способности земляного полотна лесовозных дорог с точки зрения капиталовложений, сроков и технологии производства дорожных работ.

При выборе метода ЭХЗ с применением сульфата магния приняты во внимание следующие его преимущества: нерастворимость образующегося монолитного массива в воде; необратимость структурообразующих процессов при наборе прочности грунтов; снижение расхода материалов и трудозатрат в сравнении с полной реконструкцией участка дороги и экологический аспект (рис. 4).

Рис. 4. Электрохимическое закрепление глинистого грунта в основании дорожной конструкции: 1…3 – зоны упрочнения; 4 – электроды; 5 – дорожная одежда; 6 – земляное полотно

Прочность грунтов в результате электрохимической обработки возросла в 2 раза. При этом после окончания ЭХЗ закрепляемый массив продолжал со временем упрочняться.

При строительстве новых автомобильных дорог рассмотрен метод борьбы с морозобойными трещинами путем применения теплоизолирующего слоя из пенополистирола.

Одним из наиболее ценных свойств пенополистирола является его низкая теплопроводность. В лабораторных условиях определялись теплотехнические свойства традиционных теплоизолирующих материалов. В дальнейших исследованиях был принят пенополистирол марки ПЕНОПЛЕКС. Требуемая толщина теплоизолирующего слоя по расчётам составила 50 мм, что подтвердилось моделированием с использованием программных продуктов GeoStudio и Plaxis. В дальнейшем на экспериментальных участках, в период строительства и ремонта дорог в местах сопряжения насыпи с выемкой были уложены листы ПЕНОПЛЕКСа размером 1200х2400 мм на всю ширину основания земляного полотна с длиной захватки 6 м. Дальнейшие наблюдения за участками полевых испытаний в зонах сопряжений насыпи с выемкой в течение четырёх лет показали отсутствие морозобойных трещин.

В третьей главе разработана методика расчета сил морозобойного растрескивания на асфальтобетонном покрытии на участках сопряжения насыпи с выемкой и определены зоны образования морозобойной трещины.

При рассмотрении математического описания процесса движения влаги на участках нулевых отметок от насыпи к выемке и наоборот необходимо учитывать, что в сезоннопромерзающих грунтах происходит миграция влаги, тепла, изменяются влажность, теплопроводность и теплоёмкость материалов дорожной одежды ЛАД, поэтому следует воспользоваться законом теплопроводности [см. формулу (1)].

По физическому смыслу критерий теплопроводности влажного грунта выражает относительное увеличение коэффициента теплопроводности за счет переноса влаги:

.        (2)

Если перенос влаги, обусловленной градиентом температуры, происходит только в жидкой фазе, что имеет место при высокой влажности глинистого грунта, то В этом случае термоградиентный коэффициент 0, а эквивалентный коэффициент теплопроводности () равен истинному ( = ). Таким образом, изменение величины в зависимости от влажности грунта и его температуры регулируется критерием .

Удельная теплоёмкость (), рассчитанная на единицу массы влажного грунта, и приведённая удельная теплоёмкость () на единицу массы абсолютно сухого грунта определяются соотношением:

              (3)

Следовательно, объёмная теплоёмкость (и приведённая удельная теплоёмкость () являются линейными функциями влажности.

Зависимость значений удельной теплоёмкости грунта ( от влажности имеет следующий вид:

.                 (4)

Для общего случая переноса влаги в грунтах при переменной их влажности закон теплопроводности будет иметь вид:

q = –in+iж ,         (5)

где Jn и Jж – удельные теплосодержания пара и влаги; in и iж – плотность потоков пара и влаги.

Закон нестационарного переноса влаги в грунтах

,         (6)

где i – плотность общего потока влаги; Pd – плотность сухого грунта.

На участке сопряжения насыпи с выемкой, в теле земляного полотна происходит также перераспределение влажности, поэтому вертикальную составляющую градиента влажности W Г.В определим по уравнению

                      (7)

где W1 – влажность природного грунта по контакту с грунтом нарушенной структурой на глубине h от поверхности дороги; W2 – влажность природного грунта на глубине (h) и расстоянии (L) от контакта с грунтом нарушенной структуры; z – зона образования морозобойной трещины.

При известных значениях температуры грунтов нарушенной и ненарушенной структур на расстоянии L от зоны образования морозобойной трещины возможно определить средние значения градиентов температуры в теле земляного полотна, т.е. горизонтальные и вертикальные составляющие:

              (8)

где – горизонтальная или вертикальная составляющая градиента температуры грунта на глубине h от поверхности проезжей части; t1 – температура грунта выемки по контакту с грунтом насыпи; t2 – температура грунта выемки на расстоянии (L) от зоны образования морозобойной трещины; L – ширина зон интенсивного тепло- и водообмена, имеющих влажность W1 и W2.

На основании вышеизложенного был разработан аналитический метод расчёта размеров зон образования морозобойных трещин (z) и ширины зон тепло- и водообмена (L) на участках насыпи и выемки вблизи морозобойной трещины.

Величину зоны образования морозобойной трещины (z) находим из выражения

где Wфак – относительная влажность грунта, определяемая как отношение W/WL; Wmin – влажность грунта по жидкой фазе в зоне первичного льдовыделения; hпрфак – фактическая глубина промерзания грунта (по наблюдениям 186 см); hпр – нормативная глубина промерзания (для Пермского края 190 см).

Сопоставление математических результатов с экспериментальными данными показало, что интенсивное изменение влажности грунта происходит только у фронта льдообразования в зоне 10…20 см, причем закономерность изменения влажности грунта можно считать линейной.

Таблица 2. Влажность грунта земляного полотна на опытном участке

Грунт

Wmin,

(по ОДН)

W на границе текучести, %

Wфак

(у талого грунта выемки)

Wфак
(у талого грунта насыпи)

Wфак
(у мёрзлого грунта выемки)

Wфак
(у мёрзлого грунта насыпи)

в выемке

в насыпи

Суглинок

0,12…0,14

43,4

44,3

0.55

(23,8)

0,71

(31,1)

0,61

(26,4)

0,83

(36,5)

В осенний период происходит интенсивное замерзание грунта земляного полотна. Поэтому ширина зоны интенсивного тепло- и водообмена в мёрзлом (талом) грунте на участках сопряжений насыпей и выемок, расположенной у границ с морозобойной трещиной, определяется по формуле

                (10)

где – коэффициент теплопроводности (принят равным 1,75: 1,65 при относительной влажности грунта 0,83: 0,55: 0,61: 0,71 и коэффициенте уплотнения земляного полотна 0,95).

Были получены значения ширины зоны интенсивного тепло- и водообмена, расположенной в зоне контакта с морозобойной трещиной: осенью в талом грунте для участка выемки она равна 0,77 м; весной в мёрзлом грунте выемки – 0,86 м и в талом грунте насыпи – 0,85 м.

В четвёртой главе определены параметры напряженно-деформирован-ного состояния конструкций дорожных одежд при размещении двух лесовозных автопоездов по полосам движения на участках сопряжений насыпей с выемками, разработана технология строительства и ремонта ЛАД, определён экономический эффект от внедрения результатов исследований.

Двухслойное асфальтобетонное покрытие моделировалось плитным конечным элементом с приведенной жесткостью с использованием программных продуктов GeoStudio-2007, Plaxis. В результате проведенных расчетов получены значения вертикальных перемещений в дорожной конструкции в зависимости от динамической нагрузки и состояния грунта земляного полотна, максимальные изгибающие моменты, поперечные и продольные силы в асфальтобетонном покрытии (рис. 5).

а

б

Рис. 5. Промерзание дорожной конструкции на участке сопряжения насыпи с выемкой: а – продольный разрез; б – поперечный разрез

Полученные деформации дорожной конструкции под действием нагрузки от лесовозной техники на участках сопряжения насыпи с выемкой показали разницу в величинах прогиба и подтверждают появление морозобойной трещины на данных участках, приводящей к разрушению слоёв дорожной одежды (табл. 3).

Таблица 3. Результаты определения максимального прогиба дорожной одежды

Состояние активного слоя

Прогиб, мм

на участке из талого грунта

19,67

на участке из мерзлого грунта

15,86

на участке с устройством прослойки из ПЕНОПЛЕКСа

18,04

на участке с грунтами после ЭХЗ

4,14

На участке сопряжений насыпей с выемками разница жёсткости дорожного полотна в переходные периоды составляет около 20 %, что вызывает появление дополнительных напряжений в зоне перехода талого грунта в мёрзлое состояние. При использовании предлагаемых технологических операций при ремонте и строительстве увеличивается срок службы дорожной конструкции.

Нами были разработаны две конструкции дорожной одежды для ЛАД (рис. 4, 5) на участках сопряжений насыпей с выемками, для которых установлены параметры прочности дорожной одежды от действующей нагрузки лесовозных автопоездов в зависимости от состояния грунта земляного полотна. Проведённые расчеты конструкций дорожных одежд по прочности и их анализ показали, что оба варианта являются равнопрочными.

Применение пенополистирола в дорожной одежде при строительстве ЛАД на участках сопряжений насыпей с выемками позволяет уменьшить требуемую толщину оснований, тем самым достигается удешевление конструкции ЛАД. Экономический эффект от внедрения составил 594,67 тыс. рублей. При использовании метода ЭХЗ при ремонте ЛАД на участках образования морозобойных трещин экономический эффект составил 16,7 тыс. рублей.

Основные выводы

  1. Впервые изучен механизм образования морозобойных трещин на лесовозных автомобильных дорогах. Растягивающие напряжения в талом грунте земляного полотна составили 1,34 МПа, а на участке сопряжения насыпи с выемкой в осенне-зимний период – 1,45 МПа, т.е. растягивающие напряжения увеличились на 8 %, что вызывает образование морозобойных трещин в дорожных конструкциях ЛАД.
  2. Разработана методика расчётов по определению: размеров переходных зон к участкам образования морозобойных трещин при замерзании и оттаивании грунта; ширины зон сопряжений насыпей с выемками, в которых образуются морозобойные трещины, и длины зоны производства работ при ЭХЗ. Зона интенсивного влаго- и теплообмена составила 6 м, образования морозобойной трещины – 2 м, длина зоны производства работ при ЭХЗ – 30 м.
  3. Выполнен теплотехнический расчёт с применением программных комплексов по определению толщины укладываемого теплоизолирующего материала из пенополистирола, который составил 50 мм, что позволяет нейтрализовать образование морозобойных трещин в местах сопряжения насыпи с выемкой. Экономический эффект при использовании пенополистирола на участках сопряжений насыпей с выемками составил 594,67 тыс. рублей.
  4. Установлено влияние сульфата магния, определены его концентрация, напряжение и продолжительность обработки, влияющие на улучшение физико-механических свойств глинистого грунта ( и с увеличиваются до 70 %). По эффективности закрепления и экологическим свойствам раствор сульфата магния, концентрацией 20 %, увеличивает долговечность дорожной конструкции на участках применения ЭХЗ в 2 раза. Экономический эффект при использовании метода ЭХЗ на участке образования морозобойной трещины составил 16,7 тыс. рублей.

Рекомендации

  1. Предложенная методика теплотехнического расчёта толщины укладываемого в дорожную конструкцию теплоизолирующего материала при ремонте и строительстве ЛАД на участках сопряжений насыпей с выемками рекомендована проектным организациям для обоснования конструктивных проектных решений.
  2. Разработанная технология ЭХЗ глинистых грунтов сульфатом магния рекомендована к внедрению при разработке рабочих проектов по ремонту ЛАД для участков перехода от насыпей к выемкам.
  3. Разработанные модели расчета применительно к лесовозному автопоезду с реальными нагрузками, грунтовыми и климатическими условиями с использованием программных комплексов PLAXIS и GeoStudio-2007 рекомендуются для внедрения в проектных организациях с целью сокращения работ при разработке проектов.

Содержание диссертации опубликовано в работах:

  1. Бургонутдинов, А.М. Разработка способов строительства и ремонта лесовозных дорог, препятствующих образованию морозобойных трещин / А.М. Бургонутдинов, В.С. Юшков // Естественные и технические науки. – М.: Спутник+, 2011. – № 6. – С. 25–35. (ВАК).
  2. Бургонутдинов, А.М. Учёт образования морозобойных трещин при строительстве трубопроводов / А.М. Бургонутдинов, Б.С. Юшков // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – М.: Изд-во МНИТС, 2011. – № 7. – С. 39–43. (ВАК).
  3. Повышение надёжности нефте- и газопроводных систем электрохимическим закреплением грунтов и фундаментов / А.М. Бургонутдинов [и др.] // Научно-технический журнал. – М.: МНИТС, 2008. – № 12. – С. 4–10. (ВАК).
  4. Бургонутдинов, А.М. Образование морозобойных трещин на автомобильных дорогах / А.М. Бургонутдинов, В.И. Клевеко // Сб. науч. трудов по материалам междунар. науч.-практ. конф. – Киев: Транспорт, 2011. – Т. 3. – С. 32–40.
  5. Бургонутдинов, А.М. Морозобойные трещины на автомобильных дорогах / А.М. Бургонутдинов // Инновации в транспортной политике. Безопасность движения. Охрана окружающей среды: материалы междунар. науч.-техн. конф.: в 3 т. – Пермь: Изд-во ПГТУ, 2010. – Т. 3. – С. 41–47.
  6. Бургонутдинов, А.М. Применение отходов промышленности в дорожном строительстве / А.М. Бургонутдинов // Материалы 3-й Всероссийской науч.-техн. конф. молодых учёных, аспирантов; Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2005. – С. 104–108.
  7. Бургонутдинов, А.М. Электрохимическое закрепление водонасыщенных глинистых грунтов в присутствии сульфата магния / А.М. Бургонутдинов, А.С. Караваева // Материалы междунар. науч.-практ. конф. – Пермь: Изд-во ПГТУ, 2009. – С. 78–85.
  8. Бургонутдинов, А.М. Математические решения задачи термологических процессов в глинистых грунтах при электрохимическом закреплении / А.М. Бургонутдинов, Б.С. Юшков // Вестник ПГТУ. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. – Пермь, 2010. – № 2. – С. 33–41.
  9. Бургонутдинов, А.М. Морозное пучение водонасыщенных глинистых грунтов и меры борьбы с пучением / А.М. Бургонутдинов, Б.С. Юшков // Материалы науч.-техн. конф. молодых учёных. – Новосибирск: СибАДИ, 1995. – С. 23–24.
  10. Бургонутдинов, А.М. Решения задачи о расширении цилиндрической полости в глинистых грунтах при электрохимической обработке / А.М. Бургонутдинов, Б.С. Юшков // Материалы междунар. науч.-техн. конф. – Пермь: Изд-во ПГТУ, 2007. – С. 23–32.
  11. Бургонутдинов, А.М. Электрохимическое закрепление глинистых грунтов против морозного пучения / А.М. Бургонутдинов, Б.С. Юшков // Материалы науч.-техн. конф. – Томск: Изд-во Том.ГУ, 1996. – С. 44–48.
  12. Изменение несущей способности грунта / А.М. Бургонутдинов [и др.] // Материалы науч.-техн. конф.; Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 1998. – С. 5–6.
  13. Криогенные процессы в основании дорог / А.М. Бургонутдинов [и др.] // Материалы международной научно-технической конференции; Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2005. – С. 111–116.
  14. Электрохимический способ закрепления грунтов / А.М. Бургонутдинов [и др.] // Материалы межвуз. науч.-техн. конф.; Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 1999. – С. 76–77.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными гербовой печатью подписями просим направлять по адресу: 424000 Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина 3, МарГТУ, ученому секретарю. Тел/факс (8362) 68-68-05/41-08-72.

Подписано в печать 17.04.2012

Усл. п.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 4828.

Редакционно-издательский центр

Марийского государственного технического университета

424006 Йошкар-Ола ул. Панфилова, 17






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.