WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

ЯРМОЛИНСКИЙ  ВЛАДИМИР АПОЛЕНАРЬЕВИЧ

РАЗВИТИЕ И МОДЕРНИЗАЦИЯ ОПОРНОЙ

АВТОДОРОЖНОЙ СЕТИ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА

ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЕЕ НАДЕЖНОСТИ

В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов,

аэродромов, мостов и транспортных тоннелей;

05.22.01 – Транспортные и транспортно-технологические системы страны, ее регионов и городов, организация производства на транспорте

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2009

Работа выполнена  в ГОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет»

Научный консультант

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, доцент

Долганов Андрей Иванович

Доктор технических наук, профессор

Казарновский Владимир Давидович

Доктор технических наук, профессор

Кулижников Александр Михайлович

Доктор технических наук, профессор

Миротин Леонид Борисович

Ведущая организация:

Дальневосточный государственный

университет путей сообщения

Защита диссертации состоится  « »  июня  2009 г.  в  10  часов на заседании диссертационного совета  ДМ 303.018.01 при ОАО ЦНИИС по адресу: 129329, Москва, Кольская 1.

С диссертацией можно ознакомиться  в библиотеке ЦНИИС.

Автореферат разослан  «____» ____________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Ж. А. Петрова


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  РАБОТЫ

Актуальность работы. Актуальность проведения исследований обоснована тем, что огромная территория Дальнего Востока России, занимающая по площади 6,2 млн км2 или 36,4% всей территории РФ, до образования Дальневосточного федерального округа (ДФО) не являлась единым экономическим пространством. В целом регион представлял собой систему со слабосвязанными между собой рынками областного ранга, обусловливающими недостаточное развитие межрегиональных и международных связей.

Для изменения сложившейся ситуации Постановлением Правительства РФ принята Федеральная целевая программа «Экономическое и социальное развитие Дальнего Востока и Забайкалья на период до 2013 г.», одной из задач которой является развитие транспортной системы региона, в том числе за счет развития и модернизации сети автомобильных дорог. Это позволит объединить в региональную транспортную систему хозяйствующие субъекты, обеспечит выход  к незамерзающим портам Дальнего Востока, активно включит экономику региона в экономическое пространство стран Азиатско-Тихоокеанского региона (АТР).

К настоящему моменту формирование опорной сети автомобильных дорог Дальнего Востока не завершено, ряд ее участков не имеет устойчивой связи между экономическими районами и федеральным центром. Незавершенность опорной автодорожной сети не позволяет в достаточной мере обеспечивать автотранспортные связи с важнейшими транспортными узлами, аэропортами, железнодорожными станциями, морскими и речными портами, не обеспечивает равные возможности  всех административных образований ДФО в транспортной доступности к региональной автодорожной сети и выходу на внутренние и внешние транспортные коридоры.

Резкое возрастание загрузки морских незамерзающих портов Дальнего Востока: Владивостока, Находки, Восточного и других, а также  международных автотранспортных пограничных переходов –  кардинальным образом изменили функциональное значение региональной сети. Вместо внутритерриториальных перевозок стали преобладать региональные и международные перевозки, возросли загрузка дорог и нагрузки на дорожные конструкции региональной сети.

В то же время транспортно-эксплуатационные характеристики существующих дорог региональной сети  не соответствуют нормативным требованиям. Неблагоприятное влияние специфических природно-климатических факторов на дорожные конструкции приводит к тому, что  сроки службы автомобильных дорог региона значительно ниже, чем в европейской части страны.

На существующей сети дорог региона не обеспечена эффективная работа международных автотранспортных коридоров, это  затрудняет  интеграцию транспортной системы региона  в работу  транспортной системы  европейской части страны и стран АТР.

Особой проблемой для всех дальневосточных территорий является обеспечение северного завоза грузов. Создание опорной региональной автодорожной сети круглогодичной эксплуатации позволит снять социально-экономическую напряженность  в районах Крайнего Севера, создать требуемый уровень необходимых социальных благ, снизить миграцию населения из этих районов.

В сложившейся ситуации становится очевидным, что точечные, единовременные  меры, направленные на повышение эффективности работы отдельных дорог региона,  желаемых результатов не дадут.  Для создания надежно функционирующей опорной сети автомобильных дорог региона необходимо комплексное решение проблемы ее развития и модернизации, разработанное и научно обоснованное с учетом изменившихся геополитических, социально-экономических и природно-климатических условий Дальнего Востока.

Актуальность темы диссертации подтверждена выполнением научно-исследовательских работ в рамках:

1) подготовки проекта программы модернизации и развития автомобильных дорог Дальневосточного федерального округа в составе Национальной программы модернизации и развития автомобильных дорог Российской Федерации до 2025 г.;

2) выполнения научно-исследовательских работ по заказам: «Дальуправтодора»,  «Хабаровскуправтодора», «Сахалинуправтодора» и других организаций;

3) работ по реконструкции взлетно-посадочной полосы международного аэропорта г. Хабаровска;

4) разработки региональных  дорожных норм, технических указаний и методических рекомендаций на проектирование и модернизацию автомобильных дорог опорной региональной автодорожной сети Дальнего Востока.

Цель и задачи работы.  Целью исследований является разработка научного обоснования развития и модернизации региональной автодорожной сети Дальнего Востока для повышения ее надежности в процессе эксплуатации с учетом социально-экономических и природно-климатических условий региона.

Для достижения указанной цели решены  следующие задачи:

1. Проведен анализ состояния автомобильно-дорожной сети и перспектив ее модернизации для социально-экономического развития Дальнего Востока.

2. Разработана математическая модель модернизации опорной сети автомобильных дорог в регионе на основе прогноза существующих  транспортных связей и многофункционального экономического анализа, для формирования единого транспортного пространства  в регионе.

3. Уточнен аналитический  метод расчета водно-теплового режима (ВТР)  земляного полотна автомобильных дорог Дальнего Востока и обоснованы научные принципы его регулирования. 

4. Определены критерии оценки  надежности автомобильных дорог в сложных природно-климатических условиях Дальнего Востока при их строительстве, реконструкции и модернизации, а также осуществлено районирование территории Дальнего Востока  по нормативным требованиям надежности.

5. Теоретически обоснованы конструктивные параметры региональных автомобильных дорог при их проектировании с учетом природно-климатических особенностей Дальнего Востока.

6. Разработана методика оценки экономических перспектив развития региональной сети автомобильных дорог и возможности активизации инвестиционной политики для привлечения иностранных и отечественных инвесторов в рамках государственно-частного партнерства (ГЧП) в дорожной отрасли региона.

Объектом исследования является автодорожная сеть, состояние и транспортно-эксплуатационные характеристики существующих автомобильных дорог  Дальнего Востока, объекты формирования грузообразующих пунктов  и транспортных  потоков.

Методологической базой исследований являются методы решения оптимизационных задач на основе  фундаментальных положений теории вероятности и математической статистики, аналитические методы оценки напряженно-деформированного состояния дорожных конструкций, программные продукты решения прикладных задач.

Научная новизна работы заключается в:

  • развитии метода имитационного моделирования на графах, с разработкой алгоритма оптимального  плана перевозок на сети автомобильных дорог региона  с учетом их фактической загрузки, пропускной способности, скорости движения и создании программного продукта для его реализации, разработке начертания опорной автодорожной сети региона с оптимизацией транспортных потоков по основным направлениям автотранспортных коридоров;
  • уточнении дорожно-климатического районирования региона с выделением подзоны II1  в результате многолетнего мониторинга на климатических постах и опытных участках автомобильных дорог Дальнего Востока;
  • разработке методики корректировки параметров автомобильных дорог в условиях деструктивного влияния  климата и хозяйственной деятельности человека;
  • получении обобщенных аналитических выражений притока капиллярно-подвешенной и пленочной влаги в условиях неравномерного промерзания дорожных конструкций региона;
  • установлении расчетных зависимостей вероятностного характера изменения критерия прочности  автомобильных дорог региона с определением требуемых значений этого параметра, с заданной надежностью;
  • осуществлении  районирования южной части территории региона по критерию обеспечения прочности с заданной надежностью работы автомобильных дорог региона;
  • разработке научных принципов регулирования водно-теплового режима, положенных в основу региональных дорожных нормативов и методических рекомендаций на модернизацию автомобильных дорог Дальнего Востока.

Достоверность научных выводов подтверждается применением современных методов расчета, программно-аппаратных средств и современного лабораторного оборудования, уровнем сходимости результатов математического моделирования и измерений фактических  величин,  большим объемом экспериментальных данных, полученных в результате  диагностики транспортно-эксплуатационных характеристик на  федеральных автомобильных дорогах Дальнего Востока. Результаты  научных исследований получены с применением методов математического анализа и современных программных продуктов для решения инженерных задач (Excel, Mat lab, Borland C ++ Builder и др.). Достоверность полученных результатов подтверждена их внедрением в региональные дорожные нормативы, методические рекомендации и технические условия на проектирование, строительство и модернизацию автомобильных дорог региона.

Практическая значимость  диссертационной работы заключается в:

  • решении оптимизационных задач по развитию и модернизации сети автомобильных дорог с учетом социально-экономических условий развития региона для формирования единого транспортного пространства Дальнего Востока;
  • реализации методов расчета ВТР автомобильных дорог  с учетом особенностей природно-климатических условий и дорожно-климатического районирования территории региона при назначении конструкций автомобильных дорог;
  • обосновании требуемых значений уровней надежности конструкций автомобильных дорог и их районирование для территории Дальнего Востока;
  • разработке рекомендаций по конструированию и усилению дорожных одежд для строительства и  модернизации земляного полотна  автомобильных дорог Дальнего Востока;
  • разработке предложений по привлечению инвестиций для строительства платных участков автомобильных дорог Дальнего Востока на основе принципов ГЧП.

На защиту выносятся:

- результаты опытно-экспериментальных работ на опытных участках сети автомобильных дорог региона;

       - метод оптимизации развития и модернизации сети автомобильных дорог  Дальнего Востока;

       - аналитический метод расчета и регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог с учетом природно-климатических особенностей региона;

       - критерии оценки надежности автомобильных дорог в специфических природно-климатических условиях региона;

       - рекомендации по проектированию и усилению дорожных конструкций автомобильных дорог региона.

Внедрение результатов работы осуществлено при разработке планов развития и модернизации автомобильных дорог «Дальуправтодора». Результаты исследований включены в региональные технические документы:

1. РДН 218-002-02. Проектирование земляного полотна и дорожных одежд автомобильных дорог Сахалинской области.– Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2002. –  43 с.

2. РДН 218-002-09. Рекомендации по определению оптимальных сроков ограничения осевых нагрузок на региональных или межмуниципальных дорогах Хабаровского края.– Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2009. –  23 с.

3. Методические рекомендации по применению текстильных синтетических материалов для осушения земляного полотна и дорожных одежд автомобильных дорог южной части Дальнего Востока. – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2004. –  17 с.

       4. Рекомендации по совершенствованию методов борьбы с пучинами при ремонте автомобильных дорог / НПО Росавтодор. – М.: ЦБНТИ государственного концерна «Росавтодор», 1991.– 87 с.

       5. Рекомендации по усовершенствованию мероприятий для ремонта пучинистых участков на автомобильных дорогах Хабаровского ДРСУ / ГП «Хабаровскавтодор».– Хабаровск, 1997.– 22 с.

       6. Рекомендации по повышению устойчивости откосов высоких подтопляемых насыпей с использованием ребристых плит.– Хабаровск , 1994.– 24 с.

       7. ТУ 5718-002-02067971-2005 «Смеси пористые чернощебеночные для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог Хабаровского края». –Хабаровск: Хабаровскуправтодор, 2005. – 15 с.

       8. ТУ 5718-007-02067971-98 «Смеси асфальтобетонные дорожные и асфальтобетон с использованием золы-уноса Благовещенской ТЭЦ Амурской области».

Апробация работы. Вклад автора в исследование проблемы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на десяти международных конференциях и семинарах (1 международном семинаре, 1 международной конференции МАДИ (ГТУ), 5 международных научно-практических конференциях, 2 международных научно-технических конференциях, 1 международной научной конференции) и 7 межрегиональных и региональных конференциях, международных, всероссийских и региональных конференциях.

Основными из них являются:

1. Научно-практическая конференция «Методы решения проблем дорожно-транспортного комплекса г. Хабаровска в условиях переходного периода к рыночной экономике» (Хабаровск, 1999).

2. Научно-техническая конференция «Проблемы дорожно-транспортного комплекса Дальневосточного региона в связи с вводом в эксплуатацию автодорожного проезда по мосту через реку Амур у г. Хабаровска»  (Хабаровск, 1999).

3. Научно-техническая конференция «Развитие городской инфраструктуры и земельной реформы в условиях перехода к рыночной экономике» (Хабаровск, 2000).

4. Региональная научно-практическая конференция «Повышение эффективности и качества строительства и ремонта автомобильных дорог в Дальневосточном регионе» (Хабаровск, 2001).

5. 50-я международная научно-методическая конференция МАДИ ГТУ (Москва, 2002),

6. Международный семинар «Развитие региональной автодорожной сети Дальнего Востока за счет повышения сроков службы дорожных одежд» (Хабаровск, 2002).

7. Региональная научно-практическая конференция «Современная практика продвижения современных идей в сфере лизинга на Дальнем Востоке России» (Хабаровск, 2003).

8. Международная научно-практическая конференция «Проблемы развития экономики Дальнего Востока» (Хабаровск, 2003).

9. II-III международные научно-технические конференции «Проблемы качества и эксплуатации автотранспортных средств» (Пенза, 2002, 2004).

10. II-III международные научно-практические конференции «Современные перспективы, технологии и материалы для строительного, дорожного комплексов и жилищно-коммунального хозяйства» (Брянск, 2003, 2004).

11. Межрегиональная научно-практическая конференция «Автомобильный транспорт Дальнего Востока и Сибири 2004» (Хабаровск, 2004). 

12. Международная научная конференция «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 2005).

13. Международная научно-практическая конференция «Прогресс транспортных средств и систем – 2005» (Волгоград, 2005).

14. Научно-техническая конференция «Пути повышения эффективности функционирования улично-дорожной сети г. Хабаровска» (Хабаровск, 2005).

15. Международная научно-практическая конференция «Современные технологии усиления дорожных одежд при модернизации и капитальном ремонте автомобильных дорог» (Хабаровск, 2005).

Диссертационная работа является результатом исследований, которые проводились автором в течение двадцатилетнего периода при кафедре «Автомобильные дороги»  Тихоокеанского государственного университета (ТОГУ). Исследования включают в себя многолетние натурные наблюдения на климатических постах и опытных участках автомобильных дорог Дальнего Востока, в частности, в южной и центральной частях рассматриваемого региона. В результате чего был накоплен большой статистический материал и проведен непрерывный мониторинг за работой автомобильных дорог региона.  Работа выполнялась в соответствии с отраслевыми и государственным программами по заданию Росавтодора России. В диссертацию вошли материалы  проведенных автором исследований в рамках работ  по заказам: ФГУ «Дальуправтодор»,  ГУ ДСД «Дальний Восток», «Хабаровскавтодор», «Хабаровскуправтодор», Комитета дорожного хозяйства Приморского края, ГУ «Управтодор Республики Саха (Якутия)». В исследованиях участвовали преподаватели, аспиранты  и студенты дальневосточного автодорожного института, специалисты краевых и  федеральных автодорожных предприятий, проектных и научных предприятий региона. Ряд аналитических решений в области  водно-теплового режима сезонно-промерзающих грунтов были получены в результате многолетней совместной работы с лабораторией СоюздорНИИ и Центральной научно исследовательской лабораторией ЦНИИС, с использованием программ по расчету температурного режима земляного полотна на основе численных методов. На основании этих исследований совместно со специалистами Хабаровского филиала ГипродорНИИ, «Дальуправтодора»и «Хабаровскуправтодора» разработаны региональные нормативно-технические документы на проектирование и модернизацию автомобильных дорог  Дальнего Востока.

В проведенных исследованиях  по заданию Росавтодора России по теме «Обоснование требований к ширине обочин и типу их укрепления» на основании контракта № Д 031203/1 автором выполнены работы по разделам 1-3,7: «Влияние ширины обочин на водно-тепловой режим земляного полотна и дорожной одежды автомобильных дорог», «Оценка влияния ширины обочин на водно-тепловой режим земляного полотна и дорожной одежды автомобильных дорог», «Обоснование ширины обочин при организации зимнего содержания автомобильных дорог».

Разработанный автором программный продукт  «Roads» (подтвержденный свидетельством об официальной регистрации  программ для ЭВМ  № 2007614319) «Программа моделирования оптимального плана перевозок на сети автомобильных дорог,  минимизирующая общее время перевозок за счет выбора кратчайших незагруженных путей «Roads»») использован при подготовке проекта программы модернизации и развития автомобильных дорог Дальневосточного федерального округа в составе Национальной программы модернизации и развития автомобильных дорог Российской Федерации до 2025 г.

Разработанная в соавторстве  конструкция земляного полотна внедрена при проектировании автомобильных дорог региона, вошла в РДН 218-002-02 «Проектирование земляного полотна и дорожных одежд автомобильных дорог Сахалинской области» и защищена патентом № 2288986 «Конструкция земляного полотна».

Разработанный автором проект по привлечению инвестиций для строительства платных участков автомобильных дорог Дальнего Востока на основе принципов ГЧП прошел апробацию в рамках международной программы Sida’s International Training Programme “Road Sector Management”  в Швеции и Сербии и получил положительную оценку.

Теоретические разработки и практические результаты исследований, полученные автором, внедрены в период 1999 – 2008 гг. в учебный процесс при подготовке студентов строительных и транспортных специальностей ТОГУ: разработано три учебных пособия (два в соавторстве), два из них с грифом УМО.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 75 научных статей, получен патент, издано три учебных пособия, три монографии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, девяти глав, выводов, библиографического списка и приложений. Основной текст изложен на 413 страницах  машинописного текста и иллюстрирован 86  рисунками и 33 таблицами.  Список литературы включает 268  наименований, из них  17 – на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе  проведен анализ существующих методов проектирования сетей автомобильных дорог; исследованы исходные предпосылки, характеризующие особенности природно-климатических и социально-экономических условий региона и сформулированы задачи исследований.

В работах К.И. Андроникашвили, А.К. Бируля, Л.А. Бронштейна, Б.А. Волкова, Д.А. Вулиса, Е.Н. Гарманова, В.Д. Герами, С.М. Грибникова, М.С. Замахаева, В.Е. Кагановича, А.С. Кудрявцева, В.И. Кучинского, Р.Г. Леонтьева,  Е.М. Лобанова, Л.Б. Миротина, В.Н. Образцова, Г.А. Поляковой, В.А. Паршикова, Е.П. Попова, Р.К. Прима, И.А. Романенко, А.К. Славуцкого, К.С. Теренецкого, Я.В. Хомяка, Н.Ф. Хорошилова, Ламэ, Лаунгардта, А. Скотта, Спенсера, Г. Сотиропулоса, П. Фридриха и других предложены методики технико-экономического проектирования дорожных сетей, которые  рассматривают  различные случаи оптимального проектирования сетей автомобильных дорог и определяют обобщающую методику построения сетей в целом. Каждый из рассмотренных методов в отдельности может быть использован в конкретных случаях проектирования сетей.

Аналогичные задачи решают отечественные методы ГипродорНИИ, РосдорНИИ и Геогракома, а также зарубежные –  HDM-4.

Воспользоваться существующими методами построения дорожных сетей применительно к рассматриваемым условиям  без соответствующей корректировки не представляется возможным в силу целого ряда специфических особенностей региона.  Одной из главных особенностей Дальнего Востока является коренное изменение роли автомобильного транспорта и сети автомобильных дорог в геополитическом и социально-экономическом развитии региона. С образованием Дальневосточного федерального округа  возникла необходимость объединения территориальных автомобильных дорог в единую региональную сеть.

Резкое возрастание загрузки морских незамерзающих портов Дальнего Востока и международных автотранспортных пограничных переходов  изменили функциональное значение региональной сети. Возросли загрузка дорог и нагрузки на дорожные конструкции. Проблема модернизации автомобильных дорог  региона усугубляется сложностью климатических и мерзлотно-грунтовых условий, недостаточно развитой сетью дорог и низкой транспортной доступностью огромных территорий. Вследствие исключительной сложности проблемы ее решение следует осуществлять поэтапно,  последовательно рассматривая вопросы, связанные  с детализацией отдельных решений.

При этом, необходимо в первую очередь разрабатывать вопросы развития и модернизации автомобильных дорог в наиболее экономически развитой южной части Дальнего Востока с последующей детализацией решения проблемы для всей территории региона.

В связи с этим модель развития и модернизации  сети автомобильных дорог Дальневосточного федерального округа может быть выражена следующей блок- схемой (рис. 1).

Рис.1.  Блок-схема исходных факторов для обоснования модели исследований развития и модернизации сети автомобильных дорог Дальневосточного

федерального округа

Отмеченные предпосылки послужили основой для разработки экономико-математической модели развития и модернизации сети автомобильных дорог  Дальнего Востока  с учетом его  климатических, социально-экономических и инфраструктурных особенностей.

На основании проведенных исследований были сформулированы основные направления, цель и задачи исследований для разработки  научного обоснования развития и модернизации автодорожной сети Дальнего Востока.

Во второй главе  исследовано влияние состояния автодорожной сети на перспективу социально-экономического развития региона и разработан алгоритм реализации модели развития и модернизации региональной сети.

Транспорту Дальнего Востока присуща своя специфика.  Характерная особенность региона – низкая обеспеченность железными (протяженность 8337 тыс. км при плотности 13 км на 10 тыс. км2) и автомобильными дорогами общего пользования с твердым покрытием (36971 тыс. км при плотности 7 км на 1 тыс. км2). Регион пересекает Транссибирская железнодорожная магистраль. По территории Амурской области и Хабаровского края проходит Байкало-Амурская магистраль, прокладывается 70-километровая ветка к Чинейскому полиметаллическому месторождению титано-магнетитовых, ванадиевых и медно-платиновых руд, продолжается строительство Амуро-Якутской магистрали от станции Нерюнгри до Якутска.

В отличие от центральных и южных регионов страны работа всех видов транспорта в регионе носит сезонный характер. Основной объем перевозок грузов и пассажиров приходится на летне-осенний период. В это время осуществляется завоз грузов в районы Крайнего Севера, где срок навигации ограничен. Тенденция сокращения северного завоза и увеличение  экспортного грузопотока в страны АТР приводят к более равномерному распределению перевозок в течение года. Это обстоятельство становится важным фактором развития сети автомобильных дорог и автозимников в районах Крайнего Севера.

Структура  перевозок  грузов  по территории Дальнего Востока  свидетельствует о том, что почти половина (44,6%) в общем объеме перевозок осуществляется автомобильным  транспортом.

Автотранспорт является основным в Дальневосточном экономическом районе по количеству перевозимых пассажиров. Его удельный вес колеблется от 60 до 90% по субъектам Дальнего Востока, а в Камчатском крае, Магаданской области и Республике Саха (Якутия) на него приходится более 90% пассажироперевозок.

Решающее значение в работе региональной автодорожной сети играют дороги, выполняющие функцию автотранспортных коридоров.

Основным транспортным коридором, являющимся частью трансконтинентальной автомобильной трассы Центр – Дальний Восток, являются федеральные автомобильные дороги Чита–Хабаровск («Амур»), Хабаровск–Владивосток («Уссури»), строящаяся дорога Хабаровск–Находка («Восток»).

Характерной особенностью работы этого транспортного коридора является выход к незамерзающим морским портам Приморского и Хабаровского краев, близость к границе с Китаем и КНДР.

В сложившейся экономической ситуации перехода к рыночной  экономике и многофункциональной производственной интеграции влияние автодорожной сети существенно возрастает и становится решающим фактором в развитии межрегиональной ориентации в экономике. Этому способствует перенос акцента экономических отношений региона на международные рынки (в первую очередь Китая, Кореи и Японии), освоение новых месторождений сырьевых источников в глубинных районах региона и закрепление коренного населения региона при создании достойных условий жизни.

Поэтому на первом этапе  оптимизации автодорожной сети региона необходима модернизация существующих дорог по направлениям основных автотранспортных коридоров. Выбор начертания опорной сети  дорог региона  осуществлялся на основе анализа движения грузов заданного плана перевозок, из начальных пунктов в конечные.  Выбор кратчайшего возможного маршрута производился  при учете пропускной способности и загрузки движением существующих дорог с последующей оценкой выгодности того или иного направления.

В третьей главе осуществлена математическая постановка оптимизационной задачи и разработана методика построения опорной автодорожной сети Дальнего Востока.

При решении задачи линейного программирования оптимизация перевозок по участкам автомобильных дорог проводилась исходя из условий:

- конкурентоспособности участка дороги в зависимости от его загрузки региональными и международными перевозками, ценовой и тарифной политики на перевозимые грузы;

  • пропускной способности дороги;
  • технического уровня и транспортно-эксплуатационного состояния автодорожной инфраструктуры на маршрутах перевозок;
  • состава транспортного потока, осуществляющего региональные и международные перевозки;
  • расчетных нагрузок на дорожно-мостовые конструкции;
  • экологической ситуации на маршрутах региональных и международных перевозок.

Для оптимизации процесса автомобильных перевозок на автомобильно-дорожной сети (АДС) Дальнего Востока решается прямая задача имитационного моделирования.  Для решения задачи были проанализированы: условия работы АДС региона; «загруженность» участков автомобильных дорог; равномерность распределения грузопотоков с выделением наиболее загруженных направлений; назначение конструкций дорожных одежд, соответствующих фактической грузонапряженности и расчетным нагрузкам.

На основе  проведенного анализа была определена и научно обоснована наиболее рациональная схема работы международных транспортных коридоров (МТК) с равномерной загрузкой АДС Дальнего Востока.

При решении оптимизационной задачи в качестве целевой функции принят минимум дорожно-транспортных затрат при  минимальном времени перевозок между грузообразующими и грузопоглощающими пунктами АДС Дальнего Востока

Существующая АДС была представлена в виде графа (рис. 2)

  Го = (V,U),  (1)

где V = {v1, v2……vn} – множество вершин мощностью m (V) = N, ассоциируемых с грузоотправителями и грузополучателями; U = {} – множество ребер мощностью m(U) = M, ассоциируемых с дорогами, составляющими опорную АДС.

Задана  длина дорог  АДС : L = {}, {m (L) =M}. 

Известна пропускная способность дорог (авт./ч) в каждом из двух направлений:

P = {}, {m(P)=M},  кроме того, задан коэффициент загрузки дорог

Z = {}, {m= (Z)=M}.

Известны типы используемых автомобилей и их грузоподъемность (т)  B = {}, {m(B) =K}, а также стоимость перевозки единицы груза (руб.) каждым типом автомобиля С = {}, {m(C)=K} на единицу длины дороги.

Для любой вершины графа , n e [1,…N] может быть задан следующий набор данных: количество груза (т) , которое  должно быть перевезено из вершины  i e [ 1,…N] в вершину j e [ 1,…N],  k – м типом автомобиля; количество рейсов в сутки .

Тогда интенсивность вывоза грузов  (т)  k–м  типом автомобиля  из вершины i в вершину j = .  (2)

  Стоимость перевозок (руб.·т·км) составит 

  = , (3)

где – длина выбранного пути (км) по дугам графа .

Пусть I – множество  индексов вершин V,  из которых вывозятся грузы {m ( I ) N},  J  – множество индексов вершин V, в которые завозятся грузы {m ( J ) N}, а S – множество индексов типов использованных автомобилей {m ( S ) K}.

Тогда план грузоперевозок  запишется

X = {}, i I, jJ, kS.  (4)

Общая стоимость перевозок (руб.·т·км) при реализации плана Х запишется как

Q  = ,  (5)

где индексы k, i, j  изменяют значения во множествах индексов S , I, J  соответственно. 

Общее количество перевозимого груза (т)

E = . (6) 

Общее расстояние перевозок (км)

  L = .  (7) 

Известна стоимость ремонтных работ (руб.) для каждого километра дороги в зависимости от грузонапряженности дорог, составляющих опорную АДС:

  (N) , (8) 

где = {z} – множество категорий дорог, N – интенсивность движения по дороге (авт./сут).

Обозначим как общую длину пути (км), проходимого по дорогам категории Z, ведущим к  автотранспортным пограничным переходам при реализации плана X.

Пусть для реализации  плана X  задействовано  множество  дорог различных категорий:

Z = {z}e.  (9)

Тогда  длина участка дороги (км),  входящей в опорную АДС, составит

  L = .  (10)

Общая стоимость ремонтных работ (руб.·км)

  F = , (11) 

где – средняя интенсивность движения (авт./сут)  по дорогам категории Z.

  Обозначим через H  общую стоимость строительства новых дорог, а через W  – общие затраты на увеличение пропускной способности существующей сети дорог, необходимых для реализации плана Х.  Тогда общие затраты (руб.) на реализацию плана Х  можно выразить как целевую функцию 

  Y=Q+F+H+W min. (12)

Ставится задача  выбора такой топологии сети дорог АДС (за счет строительства новых дорог  и  реконструкции существующих), которая минимизировала бы общие дорожно-транспортные затраты Y min на системе ограничений.

Рис.2.  Граф международных перевозок  сети дорог Дальневосточного федерального округа: – населенные пункты территории КНР, КНДР;  – грузообразующие вершины с  указанием объемов завозимых грузов, т; –  грузопоглощающие вершины с указанием объемов вывозимых грузов, т;  –

нулевые вершины, через которые грузы проходят транзитом; ; – транспортно-логистические центры  для хранения и перегрузки грузов. Объем грузоперевозок, т:  0 – 1000 т; 1000 – 5000 т;  5000 – 10000 т; 10000 – 20000 т;  20000 – 30000 т;  30000 – 50000  т; 50000 – 100000 т;  100000 – 150000 т; 150000 – 200000; 200000 – 250000 т

При решении задачи оптимизации перевозок вводится следующая система ограничений.

Обозначим через А,   множество индексов дорог, перевозки по которым  присутствуют в плане Х, а через – интенсивность движения  по  m–й дороге при реализации плана  Х. Тогда ограничения на интенсивность движения  (авт. /сут) запишутся как

  +·/100, m A.  (13)

Пусть – количество  груза (т)  в i-м пункте, а –  количество груза (т), которое  должно быть завезено в пункт  j .

Тогда должно соблюдаться равенство  поставки и потребления груза в грузообразующих и грузопринимающих  пунктах:

  =. (14)

Пусть  – максимально допустимая продолжительность времени (ч) для реализации плана Х.

Время перевозок (ч) по  оптимальному маршруту (i,j)

, (15)

где –  средняя скорость (км/ч) движения по маршруту (i,j).

Тогда максимально допустимая продолжительность времени перевозок

  max (), iI, jJ, kS.  (16)

Все корреспондирующие пункты были увязаны в единой  координатной сетке. Длины дуг между вершинами задавались согласно протяженности существующих дорог, помимо этого учитывалась скорость проезда по  дорогам с различными типами дорожных покрытий.

Объектом моделирования  выступала существующая  автодорожная сеть Дальнего Востока, представленная различными уровнями детализации. Формирование  оптимальной маршрутиризации сети задавалось на карте-схеме  автомобильных дорог Дальнего Востока и мест  ее стыковки на автотранспортных пограничных переходах с автомобильными дорогами соседних государств, обслуживающими как внутрирегиональные перевозки, так и  перевозки транзитных направлений.

В граф дорожной сети (АДС) Дальнего Востока были включены  автодороги общего пользования: 

– федерального значения (первый уровень вершин графа АДС);

– основных территориальных значений (второй уровень вершин графа АДС);

– автозимники, включенные в опорную региональную  сеть (третий уровень вершин графа АДС).

Для формирования рассматриваемого  графа АДС Дальнего Востока были включены вершины или грузообразующие – грузопоглощающие пункты, которыми являются города и населенные пункты, увязанные в координатной сетке по долготе и широте .  Вершины графа нумеровались в произвольном порядке и  заносились  в массив вершин (табл. 1).

Вершины графа связаны дорогами различных категорий, входящими в опорную сеть. Всего в разработанном варианте графа опорной  АДС Дальнего Востока содержится 170  вершин.

Вершины графа характеризуются:

– категорией подходящей к нему дороги;

– координатами (долготой и широтой);

– числом связей с другими вершинами графа АДС ;

– номером строки в массиве связей графа АДС, с которой начинается  перечень связей данной вершины графа;

– наименованием грузообразующего – грузопоглощающего  пункта или пересечения и  примыкания дорог.

Таблица 1

Пример массива вершин графа АДС Дальнего Востока

Номер вершины i

Категория дороги

Широта

Долгота

Число связей

Номер строки в массиве связей

Наименование населенного пункта

1

III

53°57

121°47

2

1

Граница с Амурской областью

2

III

54°02

122°53

2

12

Уруша

……….

………….

………

………….

……

………

…………………

169

III

50°06

129°25

2

87

Завитинск

170

III

49°43

128°43

3

92

Поярково

По полученному алгоритму  была разработана авторская программа “Roads” (имеется свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ), позволяющая решать оптимизационные задачи различного уровня.

Изменяя конфигурацию и эксплуатационные характеристики дорог сети графа перевозок, в частности, пропускную способность, загрузку дорог, скорость движения, были получены локальные экстремумы целевой функции на маршрутах перевозок грузов и глобальный экстремум минимума целевой функции оптимального плана перевозок. Определена загрузка дорог на маршрутах опорной региональной сети, с определением стоимости перевозок на каждом маршруте. Обозначено перспективное расположение логистических центров для хранения и перегрузки грузов с использованием  различных видов  транспорта при организации мультимодальных и интермодальных перевозок. Определены участки дорог первоочередной модернизации и реконструкции.

В результате моделирования  автомобильных перевозок на массиве автотранспортных связей между грузообразующими вершинами графа АДС Дальнего Востока получено начертание  сети автомобильных дорог на период до 2025 г. с оптимальным количеством перевозимых грузов по основным направлениям транспортных коридоров.

В четвертой главе исследованы характерные особенности  природно-климатических условий региона, осуществлена оценка их влияния на работу сети автомобильных дорог и уточнено существующее  дорожно-климатическое районирование региона.

Территория Дальнего Востока  наиболее подвержена неблагоприятному воздействию на автомобильные дороги  таких факторов, как общее потепление климата, влияние хозяйственной деятельности, деградация многолетней мерзлоты.

На примере климатических станций, расположенных в южной, центральной и северо-западной частях Дальнего Востока, можно проследить, как снижалась глубина промерзания грунта за рассматриваемый период (рис.3).

Анализ полученных результатов свидетельствует об устойчивой зависимости между изменениями климатических характеристик в районе исследований и параметрами водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог. В связи с повышением температуры воздуха снижается глубина промерзания земляного полотна.

Рис. 3. Динамика изменения глубины промерзания (м) в  центральной части Дальнего Востока на климатической  станции  г. Хабаровска

В этой связи  необходима разработка специальных мероприятий  для устранения влияния деструктивных процессов  природного и техногенного характера.

В работе предложена  методика учета динамично изменяющихся  внешних факторов  при корректировке  расчетных параметров водно-теплового режима автомобильных дорог при их модернизации и капитальном ремонте. В качестве статистического  материала были использованы данные диагностики на федеральных автомобильных дорогах Дальнего Востока за период 1962 - 2005 гг.  Исследования, проведенные на федеральных автомагистралях Дальнего Востока,  показали, что изменение расчетных параметров водно-теплового режима  подчиняются в основном нормальному закону  распределения.

Принципиальное решение задачи заключается  в корректировке искомого параметра на кривой распределения.

При обработке испытаний одной группы параметров реализовано значение элемента по сравнению с другой группой и известными характеристиками  нормального распределения этого элемента (например, модуля упругости грунта) ().

Распределение минимумов будет смещено влево по отношению к исходному распределению величин и, очевидно, имеет меньшую вариацию. Тогда в качестве функции распределения минимума можно принять любое симметричное распределение (рис. 4). Пусть это будет равномерное на интервале () распределение, в котором любое отклонение равновероятно.

Так как равномерное и нормальное распределение формируют выборку, то необходимо найти смещение математического ожидания

  . (17)

В этом случае минимальный модуль упругости грунта

(18)

Положим, что интервал равномерного распределения будет равен доверительному интервалу нормального распределения, тогда

  (19)

где t – коэффициент, зависящий от вероятности безопасности, который можно определить из соотношения

  . (20)

Здесь 2Ф – удвоенная функция Лапласа, описывающая интегральное распределение математического ожидания; р – вероятность принадлежности исследуемых величин к одной выборке (смеси); с – количество объединяемых групп.

Для оценочных расчетов примем равновероятность выборок (р = 0,5), тогда соответствующее значение t = 1,05.

При использовании выборочных данных относительный объем выборки

  , (21)

где  – количество наблюдений, попавших в группу нормального распределения, –  количество наблюдений, попавших в интервальную оценку равномерного распределения.

В связи с развитием концепции интервальных оценок представляется возможным и уточнение расчетного значения модуля упругости грунта по генеральной совокупности. Для этого в генеральной совокупности необходимо выделить интервал с заданной обеспеченностью и рассмотреть его как равномерное распределение.

Формула для оценки расчетного модуля упругости грунта имеет вид

  . (22)

Разработанная методика позволяет осуществить корректировку расчетных значений параметров автомобильных дорог с учетом динамики природно-климатических условий и неблагоприятного влияния на них хозяйственной деятельности человека.

Рис. 4. Распределение минимумов равномерного и нормального распределений

Опыт применения существующего дорожно-климатического районирования  показал, что оно не в полной мере отражает все особенности природно-климатических условий при проектировании и строительстве автомобильных дорог Дальнего Востока. В первую очередь это касается территорий с наличием многолетнемерзлых грунтов, где в зависимости от мощности мерзлого слоя, его физико-механических характеристик необходимо принимать те или иные конструктивные решения  при строительстве или модернизации автомобильных дорог.

В результате многолетнего мониторинга  за мерзлотным режимом на постах и опытных участках автомобильных дорог на территории  I дорожно-климатической зоны было выделено  три подзоны, характеризующиеся совокупностью типичных ландшафтных и климатических характеристик: арктическая (I1), субарктическая холодная (I2), субарктическая умеренно-холодная (I3). На границе с подзоной I3 высокотемпературных вечномерзлых грунтов во II дорожно-климатической зоне была выделена подзона II1, c наличием «перелетков» – мерзлых слоев грунта, возникающих на глубине сезонно замерзающих слоев в районах с континентальным и резко-континентальным  климатом и отрицательной среднегодовой температурой воздуха.

На основании проведенных исследований в диссертационной работе произведено дорожно-климатическое районирование территории Дальнего Востока, позволяющее детально оценивать его природно-климатические условия при проектировании оптимальных конструкций автомобильных дорог региональной дорожной сети.

В пятой главе диссертации приводятся  результаты исследований особенностей водно-теплового режима и методы его расчета. ВТР автомобильных дорог южной части Дальнего Востока характеризуется избыточным увлажнением и глубоким сезонным промерзанием дисперсных грунтов. Характер увлажнения земляного полотна автомобильных дорог определяется обилием муссонных осадков, вызывающих полное влагонакопление в поверхностных слоях грунта. Процесс усугубляется неравномерным характером промерзания и оттаивания дорожной конструкции.

Восстановление прочностных свойств грунта происходит медленно, особенно на участках дорог,  построенных без дренирующих слоев в основании дорожных одежд. Ограничение нагрузок в весенний период  не всегда осуществляется своевременно. Отмеченные факторы обусловливают  низкие эксплуатационные характеристики автомобильных дорог, что свидетельствует о необходимости уточнения  расчетных методов прогнозирования ВТР.

Исследованием вопросов, связанных с изменением  прочностных и деформативных свойств пылевато-глинистых грунтов  в процессе их промерзания–оттаивания и сопутствующих явлений тепломассообмена,  занимались  отечественные и зарубежные ученые. В работах Е.С Ашпиза, С.Е. Гречищева, П.И. Дыдышко, В.Н. Ефименко, С.М. Ждановой, И.А. Золоторя, В.Д. Казарновского, М.Б. Корсунского,  Я.С. Крафта, В.А. Кудрявцева, А.М. Кулижникова, А.В. Лыкова, В.С. Лукьянова, В.П.Носова, В.О. Орлова, Ю.С. Палькина, В.В. Пассека, Г.С. Переселенкова, Н.А. Пузакова, Б.И. Солодовникова, В.И.Рувинского, В.М. Сиденко, А.Я. Тулаева, В.В. Ушакова, А.А. Цернанта, Н.А. Цуканова, Е.И. Шелопаева, А.И. Ярмолинского и других решены как  основные теоретические вопросы проблемы, так и ее прикладные задачи. Тем не менее,  региональная корректировка известных методик позволяет обеспечивать более  высокую степень надежности  проектных решений.

Нормативным документом, позволяющим  осуществлять  расчет параметров ВТР автомобильных дорог, является Пособие  по  проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна (к СНиП 2.05.02-85). На основе физико-технической теории, разработанной В.И. Рувинским, осуществляется расчет характеристик ВТР при одномерной схеме осуществления процесса тепломассопереноса. В принятых теоретических предпосылках физико-технической теории источником образования ледяных прослоек, вызывающих пучение грунта, является пленочная вода, поступающая из слоя в слой фазовых превращений ее в лед. Применительно к условиям Дальнего Востока пленочная вода поступает в промерзающий слой под покрытием не сплошным горизонтальным фронтом, а от обочин и из низлежащего  талого слоя грунта земляного полотна. В случае глубокого сезонного промерзания грунта земляного полотна  имеют место процессы миграции пленочной и капиллярно-подвешенной влаги к фронту промерзания под дорожным покрытием по  направлениям снизу и сбоку из талого  грунта земляного полотна под обочинами.

Эффект миграции влаги за счет разности термосопротивлений  слоев дорожной одежды и грунта присыпных обочин приводит к выраженному образованию под дорожным покрытием переувлажненного грунта или «донника», влажность которого зачастую равна или выше влажности грунта  на границе текучести.

Таким образом, процесс промерзания и влагонакопления в грунте  в этих условиях необходимо рассматривать как двухмерный, в отличие от одномерного процесса, предлагаемого в Пособии  по проектированию методов регулирования водно-теплового режима верхней части земляного полотна.

Принципиальное значение в условиях избыточного увлажнения и глубокого сезонного промерзания грунтов имеет величина влагонакопления под границей промерзания. Используя в качестве синтезирующего начала теорию  В.И. Рувинского, процесс изменения плотности-влажности грунта земляного полотна в условиях южной и центральной частей Дальнего Востока можно разделить на четыре основных периода: набухания осенью, пучения зимой, осадки грунта при оттаивании весной и усадки весной и летом.

Расчет коэффициентов уплотнения следует производить для каждого из четырех периодов набухания, пучения, осадки и усадки грунта:

  (23)

(24)

  (25)

  (26)

где – коэффициент уплотнения после набухания грунта осенью; – коэффициент уплотнения после пучения грунта зимой; – коэффициент уплотнения после осадки грунта весной; – коэффициент уплотнения после усадки грунта летом; – относительное набухание грунта; – относительное пучение грунта; – относительная осадка грунта и его усадка.

Значения коэффициентов уплотнения вычисляются для грунта под  проезжей частью и под обочинами автомобильной дороги .  В качестве деятельной зоны рассматривается слой толщиной , в пределах которого происходит приток воды в промерзающий слой грунта  под проезжей частью из грунта под  обочинами земляного полотна (рис.5).

Принципиальное  отличие решения рассматриваемой задачи  от метода В. И. Рувинского заключается в разложении величины влагонакопления  на горизонтальную Qp(CZ) и вертикальную Qp(AZ) составляющие.

Рис.5.  Расчетная схема влагонакопления в условиях избыточного увлажнения и глубокого сезонного промерзания земляного полотна: 1 - мерзлая зона; 2 - давление от веса дорожной одежды; 3 - зона фазовых превращений пленочной воды в лед и образования ледяных линз и кристаллов; 4 - слой Z, в котором  капиллярно-подвешенная вода превращается в лед; 5 - пленочная вода, мигрирующая к фронту промерзания  из слоя Z;  6 - талая зона, в которой находится капиллярно-подвешенная вода

Расход капиллярно-подвешенной воды, поступающей по горизонтальному уровню от грунта под обочинами к границе промерзания под покрытием, определяется формулой

  ,  (27)

где – площадь поперечного сечения грунта, м2; – удельные движущие силы менисков соответственно в I, II, III группах капилляров грунта с капиллярно-подвешенной водой, Па; –  коэффициенты просачивания воды соответственно в I, II, III группах капилляров грунта, м/с; S – среднее расстояние, на которое перемещается капиллярно-подвешенная вода, м; g – ускорение свободного падения, м/с2.

Включая в расчет величину расхода воды , получим выражение для определения влажности грунта (доли единицы) под границей промерзания после оттока воды из талого грунта под обочинами  в мерзлый слой под покрытием при двухмерном решении задачи.

Для грунта под  дорожным покрытием имеем

,  (28)

где –  величина расхода пленочной воды, поступающей в мерзлый слой из талого грунта с влажностью более оптимальной, м3/с; –  среднее значение расхода капиллярно-подвешенной воды, которая может поступить к границе промерзания из грунта, расположенного ниже рассматриваемого слоя земляного полотна, м3/с; –  скорость промерзания грунта, м/с.

Величина , определяемая по формуле (27), не может быть более значения. В противном случае принимают  ограничение = .

При получении отрицательного значения выражения в скобках принимаем (--) = 0.

Для грунта  под обочинами имеем

  ,  (29)

где –  величина расхода пленочной воды, поступающей  из талого слоя грунта с влажностью более оптимальной в мерзлый слой, м3/с; –  среднее значение расхода капиллярно-подвешенной воды, которая может поступить из грунта, расположенного под обочинами, м3/с.

Понижение влажности грунта под границей промерзания происходит до величины, равной оптимальной влажности. Поэтому значения и не могут быть меньше оптимальной влажности независимо от результатов расчета.

Входящие в формулы (28) и (29) значения расхода определяем по формуле 

  (30)

Включая в расчет величину расхода капиллярно-подвешенной воды , получим выражение для определения среднего за период промерзания значения расхода пленочной воды (м3/с), поступающей из талого грунта в мерзлый слой при .

Для грунта под  дорожным покрытием имеем

. (31)

Для грунта под обочинами имеем

  .  (32)

Очевидно, что значение расхода не может быть больше величины

  . (33)

Последующий расчет  осуществляется в соответствии с методикой, изложенной в Пособии к СНиП 2.05.02-85.

По разработанной методике осуществлено  сравнение расчетных значений  плотности и влажности грунта земляного полотна с фактическими данными (табл. 2).

Результаты  прогнозируемых и фактических  значений показывают хорошую сходимость.

Таким образом, разработанная  методика  позволила  осуществить  корректировку  расчетного метода прогнозирования водно-теплового режима земляного полотна, положенного в основу Пособия к СНиП 2.05.02-85  в части учета  дополнительного поступления  капиллярно-подвешенной влаги при ее двухмерном характере перемещения  к фронту промерзания.

Таблица 2

Прогнозируемые и фактические значения влажности и плотности грунта земляного полотна в слое толщиной 0,5 м от  низа дорожной одежды опытного участка на 197км федеральной автомобильной дороги «Уссури» Хабаровск– Владивосток

Период

Влажность грунта 

Коэффициент уплотнения грунта

под покрытием

под  обочиной

под покрытием

под  обочиной

Летний период года

0,62

0,62

0,98

0,96

Осенний период перед промерзанием земляного полотна

0,81

0,8

0,81

0,85

0,98

0,96

Зимний период после промерзания

слоя грунта

0,90

0,89

0,71

0,73

Весенний период после оттаивания

грунта

0,90

0,93

0,82

0,81

0,96

0,94

Летний период после

усадки грунта

0,62

0,63

0,69

0,67

0,97

0,95

Примечание. В числителе прогнозируемые значения характеристики, в знаменателе – фактические. В таблице приведены значения влажности и плотности  суглинка легкого пылеватого с влажностью на границе текучести = 27 % и  оптимальной влажностью = 16 %.

Результаты измерения плотности и влажности грунта земляного полотна на опытном участке 197 км федеральной автомобильной дороги «Уссури» Хабаровск-Владивосток подтвердили  достаточную сходимость предлагаемой методики для расчета двухмерного процесса изменения водно-теплового режима грунта  в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов Дальнего Востока.

В шестой главе обоснованы теоретические предпосылки регулирования водно-теплового режима автомобильных дорог Дальнего Востока.

Разработанная на основе физико-технической теории В.И. Рувинского методика расчета сезонного изменения ВТР земляного полотна в условиях избыточного увлажнения и глубокого сезонного промерзания грунта позволяет рассматривать процесс влагонакопления в грунте как двухмерный. Применительно к поставленной задаче водно-тепловой режим земляного полотна зависит от нескольких факторов: расстояния рассматриваемого грунтового массива от источников увлажнения и степени их влияния, условий отвода атмосферных осадков с поверхности дороги, влагопроводных характеристик грунта, характера теплообменного процесса с атмосферой  на границе рассматриваемого массива грунта обочины и телом земляного полотна. Причем влияние источников увлажнения неоднозначно.

Внешние источники влагонакопления 1, 2, 3 формируют температурно-влажностный режим в грунтовом массиве обочины А, который в виде внутреннего источника 4 взаимодействует с грунтовым массивом тела земляного полотна под проезжей частью Б (рис.  6).

Для того чтобы оценить ВТР земляного полотна, необходимо последовательно проанализировать влияние источников 1, 2, 3 на процесс влагонакопления в грунтовом массиве А, а затем рассмотреть процесс тепломассообмена в грунте под обочинами А и проезжей частью Б.

       Если влияние источников 1, 2, 3 достаточно изучено и можно использовать существующие методы расчета влагонакопления в теле грунтового массива А под воздействием источников увлажнения 1, 2, 3, то характер тепломассообмена между грунтовыми массивами А, Б недостаточно изучен. А именно от характера этого процесса в конечном итоге зависит  ВТР  дорожной конструкции.

 

Рис.6. Источники увлажнения земляного полотна: 1 – инфильтрационно-пленочное увлажнение атмосферными осадками; 2 – капиллярно-пленочное увлажнение от поверхностных вод и верховодки; 3 – капиллярно-пленочное и диффузное увлажнение от грунтовых вод и верховодки; 4 – капиллярно-пленочное и диффузное увлажнение за счет разности потенциалов влажности и температуры в грунте под проезжей частью и обочинами; А – грунтовый массив земляного полотна под обочинами; Б – грунтовый массив тела земляного полотна под проезжей частью

Это влияние будет зависеть от характера потенциалов тепломассопереноса. Иными словами, представим, что потенциал тепломассопереноса в массиве А выше, чем в массиве Б, следовательно, влага из массива обочины будет перемещаться в массив тела земляного полотна, обусловливая избыточное влагонакопление и пучение грунта под дорожной одеждой, что крайне нежелательно.

Факторами, обусловливающими разность потенциалов в массивах А и Б, чаще других является перепад температур. Промерзание дорожной конструкции идет быстрее под проезжей частью, следовательно, за счет разности потенциалов осуществляется перемещение влаги из-под обочины в тело земляного полотна. При этом механизм этого процесса слагается из диффузного (начало промерзания) и пленочного перемещения влаги к границе льдообразования.

       В весенний период наблюдается обратная картина: оттаивание быстрей происходит под проезжей частью, чем под обочинами, при этом выводящие дренажные слои, находящиеся в мерзлом состоянии, не работают, что свидетельствует о существенном конструктивном недостатке традиционной дорожной одежды.

Основной принцип регулирования ВТР в рассматриваемых условиях  можно сформулировать  следующим образом: конструкция дорожной одежды и земляного полотна должна обеспечивать  внутреннее осушение массива грунта Б при его промерзании.

Чтобы достичь поставленной задачи, достаточно уравнять тепловое сопротивление дорожной конструкции под проезжей частью и под обочинами. Для этого необходимо обеспечить условие

          R ДО RОБ,  (34)

где  RДО – суммарное тепловое сопротивление дорожной одежды и рабочего слоя земляного полотна под проезжей частью; RОБ – суммарное тепловое сопротивление рабочего слоя земляного полотна под обочинами.

В диссертации для практических расчетов эффективности того или иного мероприятия применено численное решение уравнения теплопроводности, полученное и реализованное в алгоритме и программном комплексе ЦНИИЛ ЦНИИС  для решения задачи Стефана:

    (мерзлая зона) (35)

(талая зона)  (36)

(на границе промерзания)

(37)

где  –  температуры грунта в мерзлой зоне и в талой зоне, °С;  х,  у –  координаты точки, для которой формулируется условие; –  продолжительность периода промерзания, ч; , – коэффициент теплопроводности соответственно мерзлого и талого грунта, ккал/ (мч°С); , – удельная теплоемкость грунта, ккал/ м°С; – функция изменения во времени положения границы промерзания; – скрытая теплота при фазовом переходе воды в мерзлое состояние, ккал/м.

Важной составляющей сложного процесса, формирующего тепломассоперенос, является теплообмен на поверхности и контактных слоях дорожной одежды. При ее конструировании  важно правильно  оценить конечные результаты процесса: ускорять промерзание для районов с суровым климатом или замедлять его для районов с мягкими климатическими условиями.

Воздействие внешнего источника тепла на тепловое состояние данного физического тела зависит от самого источника и от условий теплообмена.

Влияя на отдельные составляющие теплообмена, можно добиваться необходимых параметров теплообмена и активно регулировать теплообмен дорожной конструкции. Это позволяет регулировать водно-тепловой режим земляного полотна для повышения эксплуатационной эффективности проектируемых дорожных конструкций.

Результатом внедрения проведенных теоретических и экспериментальных  исследований  явились разработанные с участием автора  региональные дорожные нормы, методические рекомендации и технические условия на совершенствование конструкций автомобильных дорог Дальнего Востока.

В седьмой главе приводятся результаты исследования  надежности автомобильных дорог; осуществлена  статистическая обработка результатов; получены характеристики распределения случайных величин; разработана вероятностная модель, на основе которой получены нормативные значения  надежности автомобильных дорог и осуществлено районирование  территории южной и центральной частей Дальнего Востока  по этому показателю.

Пути и методы обеспечения надежности дорожных конструкций нашли отражение в трудах  В.К. Апестина, В.Ф. Бабкова, А.К. Бируля, В.В. Болотина, А.С. Буслова, А.П. Васильева, А.И. Долганова, И.А. Золоторя, В.Д. Казарновского, М.Б. Корсунского, А.М. Кулижникова, Е.М. Лобанова, В.П. Носова, В.А. Семенова, В.М. Сиденко,  В.В. Сильянова, А.В. Смирнова, В.В. Ушакова,  В.Н. Шестакова и других исследователей.

Под надежностью автомобильных дорог  понимается их способность  выполнять определенные задачи в естественных условиях эксплуатации с заданной вероятностью. Поэтому основным концептуально-методическим принципом обеспечения надежности дорожных конструкций  является  вероятностно-статистический.

Надежность автомобильных дорог – это  сложная комплексная характеристика, на ее обеспечение влияют различные  конструктивные элементы автомобильной дороги как в отдельности, так и в совокупности. Выход из строя или отказ одного из элементов может вызвать общий отказ всей дороги. Для характеристики безотказной работы такого значительного по протяжению комплексного сооружения, которым является автомобильная дорога, подходит понятие нерезервированной системы с постоянно включенным резервом.

Надежность автомобильной дороги может быть повышена за счет дублирования или резервирования ее элементов. Согласно основным правилам, вероятность безотказной работы системы Р можно рассматривать как произведение вероятностей элементов Рi, составляющих эту систему, если эти элементы выходят из строя независимо друг от друга. Под системой следует понимать инженерный комплекс – автомобильную дорогу, а под элементами такой системы – конструктивные элементы дорожной конструкции. Надежность такой системы

  Р =. (38)

Дорожная конструкция, состоящая из n конструктивных элементов (дорожное покрытие, дорожная одежда, обочины, система водоотвода, искусственные сооружения на автомобильных дорогах), представляет собой дискретную систему. Эффективная работа каждого конструктивного элемента характеризуется определенной вероятностью частного отказа. Вероятность эффективного функционирования каждого элемента дорожной конструкции может быть найдена как

Р = 1-.  (39) 

Если автомобильная дорога представляет собой резервированную систему, то  надежность ее работы  может быть представлена асимптотической формулой большого резерва:

,  (40)

где – частота отказа участка; – время работы одного участка до возникновения отказа.

       Как правило, в резервированных системах эффективность работы достигается при n = 2, тогда период безотказной работы дорожной конструкции, состоящей из двух дублирующих элементов, составит

  .  (41)

В реальных условиях эксплуатации каждый элемент дорожной конструкции имеет свою степень надежности, общая же надежность автомобильной дороги определяется по формуле

Р = 1- (1- Р1) (1- Р2),… (1- Рn).  (42)

       Анализируя комплекс количественных характеристик надежности, можно прийти к выводу, что для  такого комплексного сооружения, как автомобильная дорога, наиболее приемлема вероятность ее безотказной работы Р(t) в течение определенного времени службы.

Эксплуатация автомобильной дороги в течение расчетного срока службы представляет собой непрерывный процесс, таким образом, частота отказов и вероятность безотказной работы дорожных конструкций могут быть выражены как непрерывное распределение

  А(t) =, (43)

Р(t) =1- .  (44)

Для выбора критерия оптимальности, позволяющего адекватно оценить надежность автомобильных дорог, необходимо определить показатель, который наиболее полно  отражает транспортно-эксплуатационные качества автомобильных дорог.  Интегральной  характеристикой оценки транспортно-эксплуатационного состояния дороги является скорость движения, выраженная через коэффициент обеспечения расчетной скорости.

Для оценки надежности автомобильной дороги необходимо получить зависимость вероятностей отказа дорожной конструкции U(t) от  обеспеченной дорогой скоростью движения.

Существует связь между скоростью движения и прочностью дорожных покрытий

, (45)

где и –  коэффициенты, зависящие от типа покрытия, состава движения, роста его интенсивности; t –  текущее время, годы, Кпр – коэффициент запаса прочности.

В большинстве случаев плотность вероятности коэффициента  запаса прочности дорожных конструкций Кпр  соответствует нормальному закону распределения:

f(Кпр) = ,  (46)

где m Кпр –  математическое ожидание коэффициента запаса прочности; – среднеквадратичное отклонение случайной величины Кпр.

Плотность распределения изменения скорости движения f(v) выражается формулой

  f(v) = . (47)

       Вероятность  отказа дорожной конструкции  Р(v), находящейся в интервале  vmin v vmax , будет

U(t) = Р(vmin v vmax) = . (48)

Тогда зависимость  отказов дорожной конструкции, используя формулы (41-42), можно выразить формулой

U(t) = 1/2,  (49)

где  Ф – интегральная функция Лапласа; vmin – значение скорости движения, км/ч, при которой было зафиксировано минимальное значение Кпр; vmax – значение обеспеченной скорости движения при нормативном значении Кпр; – дисперсия случайной величины Кпр.

Нормативным документом «Проектирование  нежестких дорожных одежд ОДН 218.046-01» в качестве критерия надежности установлено значение коэффициента запаса прочности Кпр  по величине упругого прогиба  при заданной обеспеченности.

Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных  исследований позволил установить зависимости изменения случайной величины коэффициента запаса прочности Кпр на основных федеральных автомобильных дорогах Дальнего Востока. Были получены кривые фактической плотности  распределения Кпр, соответствующие нормальному закону распределения и кривой Пирсона VII типа (рис.7). Установлены значения математического ожидания mКпр для кривых плотности  распределения Кпр.

Уравнение кривой VII типа имеет вид

  (50)

где  ;  (51) 

– четвертый основной момент, представляющий нормированные численные характеристики свойств случайных величин и показывающий крутизну кривой  относительно нормальной кривой распределения; – нормированный множитель, с помощью которого площадь всех кривых распределений должна равняться единице; и – постоянные,  определяемые по формулам (51); –  переменная в уравнении.

Для федеральной автомобильной дороги «Подъезд к г. Благовещенску» значение mКпр = 0,786, на федеральной дороге «Амур» Чита–Хабаровск это значение составило mКпр = 0,931 и на федеральной автомобильной дороге «Уссури» Хабаровск–Владивосток  математическое ожидание mКпр = 0,73.

Таким образом, ни на одной из рассматриваемых автомобильных дорог значение математического ожидания mКпр  коэффициента запаса прочности не находится в заданных пределах,  установленных ОДМ 218.046-01.

Из результата проведенного  анализа изменения фактической величины коэффициента запаса прочности Кпр на основных федеральных дорогах Дальнего Востока следует, что значения минимального коэффициента Kпp, назначаемого при проектировании дорожных конструкций в соответствии с ОДМ 218.046-01, недостаточно  для федеральных и территориальных дорог, находящихся в сложных природно-климатических условиях региона.

На основании статистических данных и полученных кривых распределения случайной величины коэффициента запаса прочности Кпр проведено моделирование этой величины и получено ее требуемое значение  при заданной надежности для расчетного срока службы в рассматриваемых сложных природно-климатических условиях.

Рис. 7.  Распределение величины коэффициента запаса прочности Кпр на федеральной дороге Чита–Хабаровск «Амур»

Общий способ моделирования случайной величины по заданному закону распределения заключается в решении уравнения

  (52)

где – равномерно распределенная величина в интервале .

Интегрирование выполняется до тех пор, пока не найдена площадь .

Верхняя граница, при которой прекращается интегрирование, является искомой величиной, т.е. – это случайная величина с плотностью распределения

  .  (53)

При равномерном распределении на участке

  (54)

где – псевдослучайное число (генерируемое на ЭВМ).

Наиболее часто при назначении минимального требуемого значения коэффициента запаса прочности Kпp для дорожных одежд автомобильных дорог  используется нормальное распределение изменения рассматриваемой случайной величины. Это подтверждают исследования, проведенные для основных федеральных автомагистралей Дальнего Востока.

Так, рассматривается сумма Ее среднее значение равно и дисперсия   Следовательно, случайная величина

. (55) 

Полученные фактические данные изменения коэффициента запаса прочности Kпp на основных федеральных автомобильных дорогах Дальнего Востока позволили провести моделирование изменения рассматриваемой характеристики. При моделировании изменения случайной величины Kпp, подчиняющейся нормальному закону распределения, использован алгоритм, основанный  на центральной предельной теореме.

В соответствии с изложенным, для получения модели изменения коэффициента запаса прочности  был разработан программный комплекс «Road», реализующий наполнение базы данных для моделирования заданных  значений Kпp. Данная программная система позволяет реализовать следующие функции:

1) Введение информации о фактических данных  изменения Kпp из всего массива  фактической выборки с заданием максимальных  и минимальных значений, с заданием шага изменения моделируемой характеристики.

2) Ввод  значений характеристик среднеквадратичного отклонения и  коэффициента вариации v случайной величины Kпp. 

3) Задание расчетных реализаций изменения случайной величины (в рассматриваемом  случае было задано 10000 реализаций изменения Kпp).

4) Введение заданной надежности Р моделируемой характеристики, принятой в соответствии с изменением случайной величины Kпp нормальному закону распределения, равной 0,95.

Запись полученных в результате моделирования значений изменения Kпp производилась в базу данных,  которая служила основанием для назначения требуемого значения коэффициента запаса прочности в соответствии с  фактическими природно-климатическими и транспортно-эксплуатационными условиями эксплуатации рассматриваемых федеральных автотранспортных магистралей «Амур», «Уссури», «Подъезд к г. Благовещенску». Результаты  изменения Kпp  представлены в табл.3.

Таблица  3

Результаты моделирования изменения коэффициента запаса прочности

на основных федеральных магистралях Дальнего Востока

Наименование автомобильной дороги

Коэффициент запаса прочности согласно ОДМ 218.046-01

Коэффициент запаса прочности, полученный в результате

моделирования

Хабаровск–Владивосток «Уссури»

1,2

1,43

Чита–Хабаровск «Амур»

1,17

1,33

«Подъезд к г. Благовещенску»

1,2

1,37

В результате проведенных исследований  (с учетом требований ОДМ 218.046-01) были установлены ожидаемые значения Kпp, которыми  следует руководствоваться при реконструкции и модернизации рассматриваемых федеральных автомобильных дорог: Хабаровск–Владивосток «Уссури»; Чита–Хабаровск «Амур»; федеральной дороги «Подъезд к г. Благовещенску» и соответствующие коэффициенты  запаса прочности, равные соответственно 1,43; 1,33; 1,37, обеспечивающие  работу рассматриваемых автомобильных дорог с заданной надежностью за расчетный срок службы.

Проведенные исследования послужили основанием для  назначения требуемых коэффициентов запаса прочности с заданной надежностью работы автомобильных дорог Дальнего Востока и осуществления  районирования территории региона по этому критерию.

В восьмой главе  выполнено теоретическое обоснование  конструктивных мероприятий при строительстве и модернизации  автомобильных дорог Дальнего Востока; разработаны  рекомендации по проектированию дорожных конструкций в сложных грунтово-гидрологических и геокриологических  условиях;  на участках реконструкции и модернизации автомобильных дорог; разработана модель оценки прочности и усиления дорожных одежд.

Основной задачей обеспечения требуемой транспортной доступности региона является обеспечение непрерывного, удобного и безопасного движения с расчетными скоростями и установленными нагрузками. Эти требования можно обеспечить за счет проектирования дорожных конструкций, обеспечивающих работоспособность автомобильных дорог региональной сети  в течение расчетного срока службы.

Важно обеспечить работу дорожных конструкций в конкретной природно-климатической системе дороги.  Этому важному вопросу посвящены фундаментальные работы: Е.С. Ашпиза, В.Д. Казарновского, В.В. Пассека, Г.С. Переселенкова, А.А. Цернанта. С учетом работ отмеченных исследователей  в диссертационной работе разработана схема функционально-системного принципа учета природно-климатических условий при проектировании дорожных конструкций региональной сети (рис.8).

Рис.8. Схема функционально-системного принципа проектирования дорожных

конструкций автомобильных дорог южной части Дальнего Востока

Преобладающими природно-климатическими условиями южной части Дальнего Востока являются условия, соответствующие II дорожно-климатической зоне (ДКЗ). Здесь расположено более 70% всех автомобильных дорог региона. Около 10% автомобильных дорог расположено в районе подзоны II1 с наличием «перелетков», мерзлых слоев грунта, возникающих на глубине сезонно замерзающих слоев грунта в районах с континентальным  климатом  и отрицательной среднегодовой температурой воздуха. И только около 20% автомобильных дорог региональной сети Дальнего Востока расположено в I ДКЗ.

Особую сложность при эксплуатации автомобильных дорог  во II ДКЗ представляет недостаточная прочность дорожной одежды для пропуска нормативных нагрузок в расчетный период сезонного оттаивания грунтов. Следствием этого являются деформации колееобразования на  участках автотранспортных коридоров Дальнего Востока.

Для обеспечения надежности работы основных звеньев региональной автодорожной сети  и назначения конструктивных мероприятий по повышению ее транспортно-эксплуатационных характеристик были проведены исследования  напряженно-деформированного состояния  (НДС) дорожных конструкций на участках автотранспортных коридоров региона: «Уссури» Хабаровск–Владивосток, «Амур» Чита–Хабаровск и федеральной автомобильной дороги «Подъезд к г. Благовещенску».

При проведении исследований были применены методы, нашедшие развитие в работах Н.И. Горшкова, С.К. Иллиополова, А.М. Кулижникова, В.П. Матуа и других ученых, позволяющие  исследовать пространственную работу при воздействии динамической нагрузки.

Оценка  НДС дорожных конструкций при их усилении осуществлялась с помощью программного комплекса «Genide 32» (автор Н.И. Горшков), в котором заложена методика расчета напряженно-деформируемого состояния материалов и грунтов модели системы “автодорога - грунт” в статической постановке, а нагрузки и воздействия (граничные условия по поверхностным силам) приводились к “квазистатическим”.

Параметры поверхностной нагрузки от транспортных средств, приведенные для условий плоской задачи, принимались  в соответствии с действующей инструкцией по проектированию нежестких дорожных одежд.

В принятой для расчета схеме считалось, что нагрузка от транспорта расположена симметрично относительно оси автомобильной дороги. Выделение зон неоднородности материалов проводилось через построение макроэлементов в однородных конструктивных и природных (инженерно-геологических) элементах по их геометрическим размерам и пространственному положению. Для каждого природного и конструктивного элемента системы «автомобильная дорога – грунт» были заданы физико-механические параметры.

Для любого элемента поперечного сечения автомобильной дороги и грунта в качестве параметров деформируемости  использовались модуль упругости и коэффициент относительной поперечной деформации (Пуассона); в качестве параметров прочности – удельное сцепление и угол внутреннего трения (для дисперсных грунтов и материалов),  пределы прочности на одноосное сжатие и растяжение (для скальных грунтов и монолитных материалов).

Задача экспериментальных исследований сводилась к измерению прогиба дорожной одежды под задним сдвоенным колесом грузового автомобиля расчетной нагрузки. Параметры грунта земляного полотна и  конструктивных слоев дорожной одежды (при температуре 20С), земляного полотна и обочин задавались в следующем порядке – наименование материала или грунта, толщина слоя (м), плотность (кH/м3), модуль упругости (МПа), коэффициент Пуассона (доли единицы), удельное сцепление (кПа) или предел прочности на одноосное растяжение (МПа), угол внутреннего трения (град) или предел прочности на одноосное сжатие (МПа).

Определялся коэффициент запаса прочности по З.Г. Тер-Мартиросяну:

  (56)

где  = max cos – предельное значение касательного напряжения: = с +  + tg (0,5 ( 1 + 2 ) – max sin ) – значение действующего касательного напряжения на рассматриваемой площадке; 1, 2, max – главные нормальное и максимальное касательное напряжения на площадке; с –  сцепление, МПа; – угол внутреннего трения, град.

Вид напряженного состояния оценивался по значениям параметра Надаи - Лоде: (-1) – сжатие, (0) – чистый сдвиг, (+1) – растяжение; промежуточные значения – сложное напряженное состояние. С помощью уровней этого параметра определялись места, в которых грунт, слагающий основание, испытывает растяжение или сдвиг, т.е. виды напряженного состояния, при которых материал может разрушиться.

Рассматриваемый метод позволил дать оценку НДС для любой нагрузки. Особое значение для разработки схемы усиления дорожной одежды  имеет установление зон с максимальными растягивающими напряжениями. Анализ значений вертикальных напряжений показал, что материал покрытия под местом приложения нагрузки от транспорта испытывает сжатие, а посередине между полосами наката испытывает растяжение, как правило, в этом месте образуются продольные трещины.

Для уменьшения зон  предельного состояния и перераспределения напряжений по всему объему конструкции дорожной одежды необходимо производить усиление  существующих конструкций путем устройства дополнительных слоев из высокоплотных асфальтобетонных смесей, а  на наиболее сложных участках, со слабым основанием, широко использовать армирующие геосинтетические материалы.

При приложении нагрузки  на армированных участках  дорожной одежды чаша упругого прогиба распределяется на большую площадь дорожного основания, что не приводит к колееобразованию, кроме того,  введение геосинтетиков в конструкцию дорожной одежды приводит к снижению касательных напряжений. 

Как показали наблюдения за работой опытного участка, армирование асфальтобетонного покрытия позволило добиться положительного эффекта в решении следующих задач: достижения  омоноличивания нижнего и верхнего слоев покрытия, существенно меняющего характер напряженного состояния материала; возникновения распределяющего  эффекта армированного слоя; значительного  увеличения  общего  модуля упругости дорожной одежды на армированном участке покрытия.

В результате проведенных исследований были разработаны рекомендации по усилению дорожных одежд на основных автотранспортных коридорах Дальнего Востока.

В девятой главе  рассматриваются вопросы оценки эффективности привлечения инвестиций в развитие автодорожной сети ДФО, анализируются методы привлечения дополнительных источников финансирования для развития сети дорог, даются рекомендации по очередности модернизации автомобильных дорог опорной  региональной сети.

Эффективность  вложения инвестиций в развитие АДС ДФО может быть  определена как разность  между суммарными ликвидированными потерями региона от несвоевременного строительства или модернизации дорожных объектов и затратами на строительство. При этом затраты  и потери должны быть приведены к одному перспективному периоду (20  лет).

Задача состоит в оптимальном распределении инвестиций на строительство и модернизацию опорной сети автомобильных дорог на графе распределения перевозок между грузообразующими пунктами региона.

Возможности программы “Roads” позволяют  изменять конфигурацию дорожной сети, ее транспортно-эксплуатационные характеристики для получения оптимального плана перевозок по критерию эффективности целевой функции минимума дорожно-транспортных затрат. В результате моделирования оптимального плана перевозок на АДС ДФО  с помощью авторской программы “Roads” было получено начертание опорной сети дорог региона и определены наиболее загруженные участки дорог, подлежащие первоочередной модернизации. 

Распределение инвестиций в развитие и модернизацию опорной АДС ДФО  было предложено осуществлять по критерию чистого дисконтированного дохода (ЧДД).

На первом этапе развития и модернизации опорной региональной сети предложено  инвестировать средства в  участки,  чистый дисконтируемый доход от которых превышает доходность, заданную нормой дисконта, при низком сроке окупаемости.

На втором этапе развития опорной сети АДС предложено инвестировать строительство и реконструкцию участков дорог, для которых показатели ЧДД близки к нулю, т.е. доходность инвестиционных проектов равна норме дисконта, а срок окупаемости составляет 3-5 лет.

Те участки дорог, инвестиционные проекты которых дают отрицательный ЧДД, ниже заданной нормы прибыли, с высоким периодом окупаемости проектов, предложено инвестировать с учетом привлечения прибыли от работы наиболее эффективных участков АДС ДФО для обеспечения региональной транспортной доступности табл. 4.

Таблица  4

Оценка привлечения инвестиций в развитие опорной АДС

Дальневосточного федерального округа

Номер строки j

Начало дуги (вершина L)

Конец дуги

( вершина  М)

Грузонапряжен. G,

т/сут

Длина дуги, км

Показатели эффективности инвестиций в строительство и реконструкцию АДС Дальневосточного федерального округа

Капитальные вложения, млн руб.

Чистый доход, млн руб.

Индекс доходности

Срок окупаемости, лет

Очеред-ность

1

Граница с Амурской областью

Уруша

1671

92

1875,333

19275,741

8,97

2,83

XV

2

Уруша

Тахтамыгда

2136

57

1092,500

14480,222

11,27

2,34

XIII

……

…………

…………

……..

……

…………

……………

……

………

……..

153

Завитинск

Поярково

5093

82

178,735

12524,029

55,32

0,65

I

Важной составляющей выполнения  программы модернизации и развития автомобильных дорог Дальневосточного федерального округа в составе Национальной программы модернизации и развития автомобильных дорог Российской Федерации до 2025 г.  является привлечение дополнительных источников инвестирования в дорожное строительство.

В целях снижения нагрузки на федеральный бюджет и привлечения дополнительных средств на содержание и развитие дорог из внебюджетных источников финансирования Министерством транспорта России выделена специальная программная задача «Государственно-частное партнерство (ГЧП) при строительстве автомобильных дорог», предназначенная для  реализации наиболее общественно-значимых инфраструктурных проектов, основанных на принципах и методологии государственно-частного партнерства.

В этой связи возникает возможность создания платных дорожных объектов на территории Дальнего Востока. Для этого необходимо проанализировать сложившиеся транспортные условия на основных транспортных магистралях региона.

Для развития участков сети региональных дорог Дальнего Востока и привлечения дополнительных средств на содержание и развитие дорог из внебюджетных источников финансирования были разработаны предложения по привлечению инвестиций для строительства платных участков автомобильной дороги «Уссури»  на основе принципов ГЧП и проведена их технико-экономическая оценка. Апробация предлагаемого проекта прошла в Швеции и Сербии в рамках  международного проекта Sida’s International Training Programme “Road Sector Management”  и получил положительную оценку.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. В результате проведенных исследований разработано научное обоснование развития и модернизации региональной автодорожной сети Дальнего Востока для реализации Федеральной  целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002 – 2010 годы) и подпрограммы развития  автомобильных дорог РФ «Автомобильные дороги» в Дальневосточном федеральном округе, которое заключается в разработке научных и практических рекомендаций по повышению эффективности и надежности работы автодорожной региональной сети и определению  рациональных путей ее развития и функционирования.

2. Развитие и модернизация автомобильных дорог региона основаны на решении комплекса вопросов, образующих структурно-логическую схему, заключающуюся в:

- методике объединения федеральных и территориальных дорог в опорную сеть с учетом  роста интенсивности движения, снижения прочности и пропускной способности дорог на направлениях автотранспортных коридоров;

- методике учета  особенностей природно-климатических и геодинамических  условий региона при проектировании  модернизации и реконструкции автомобильных дорог с учетом изменившихся нагрузок на дорожные конструкции;

- методике обоснования критериев надежности работы автомобильных дорог  в суровых природно-климатических условиях региона; 

- разработке конструктивных мероприятий, обеспечивающих основные потребительские свойства дорог при развитии и модернизации  региональной автодорожной сети.

3.  Алгоритм развития и модернизации опорной сети Дальневосточного федерального округа разрабатывался на основании решения  многокритериальной экономико-математической задачи,  критерием оптимальности целевой функции которой принимался минимум дорожно-транспортных затрат на развитие и модернизацию сети, объектом моделирования являлась автомобильно-дорожная сеть, представленная различными уровнями детализации. Для решения оптимизационной задачи получен авторский программный продукт  «Roads» позволивший осуществить моделирование оптимального плана перевозок на графе сети автомобильных дорог региона, в результате чего был выявлен ряд эффектов, определивших участки наибольшей загрузки дорог, места возможного образования транспортных «пробок», наиболее перспективные направления  строительства и модернизации дорог, расположение транспортно-логистических центров.  В результате моделирования оптимального плана автомобильных перевозок на массиве транспортных связей  получено начертание перспективной опорной  сети дорог  Дальневосточного федерального округа на период до 2025 г. с  назначением первоочередных участков дорог для модернизации и реконструкции.

4. Длительный мониторинг за работой  автомобильных дорог южной и центральной частей Дальнего Востока позволил установить деструктивное влияние климата на работу дорожных конструкций региональной сети. В результате чего было уточнено существующее дорожно-климатическое районирование с выделением подзоны II1, c наличием «перелетков» – мерзлых слоев грунта, возникающих на глубине сезонно замерзающих слоев в районах с континентальным и резко-континентальным  климатом и отрицательной среднегодовой температурой воздуха. Для выделенной подзоны II1 разработана методика корректировки параметров автомобильных дорог при модернизации дорожных конструкций  автодорожной сети Дальнего Востока  в условиях изменяющегося климата. 

5. В результате многолетних  теоретических и экспериментальных исследований водно-теплового режима автомобильных дорог региона были  получены обобщенные формулы аналитических решений регулирования водно-теплового режима дорожных конструкций в районах сезонно-промерзающих грунтов, позволившие уточнить метод расчета водно-теплового режима, положенный в основу Приложения к СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги» применительно к условиям региона. Получены значения расхода капиллярно-подвешенной  и пленочной влаги, притекающей в горизонтальном направлении от обочин к покрытию при неравномерном промерзании, что  позволило рассчитать изменение влажности и плотности грунта, неравномерное пучение, осадку и усадку тонкодисперсных грунтов земляного полотна автомобильных дорог южной и центральной частей Дальнего Востока  и послужило основанием для разработки региональных нормативных документов на проектирование дорожных конструкций при развитии и модернизации дорожной сети региона.

6. Проведенные исследования оценки прочности на автотранспортных коридорах Дальнего Востока позволили получить расчетные зависимости изменения коэффициента запаса прочности дорожных одежд,  разработать вероятностную модель прогнозирования этого показателя за период срока службы дорог региональной сети с назначением их требуемой  прочности с заданной надежностью и осуществить районирование территории региона по этому показателю.

7. Реконструкцию и модернизацию  дорожных конструкций региональной сети Дальнего Востока, необходимо осуществлять на основании функционально-системных принципов проектирования  и модернизации с учетом особенностей формирования теплового режима в теле земляного полотна, прогнозируемых локальных изменений мерзлотно-грунтовых условий и глобальных изменений климата. В условиях  сезонно промерзающих грунтов необходимо обеспечить морозоустойчивость автомобильных дорог региональной сети  за счет конструктивно-технологических мероприятий по обеспечению прочностных и деформативных качеств земляного полотна дорожных конструкций с учетом климатических, грунтовых и гидрологических условий региона. При проектировании участков автомобильных дорог, проходящих в районах распространения мерзлых грунтов, земляное полотно следует проектировать индивидуально, руководствуясь существующими принципами и методами.

8. На основании полученного начертания перспективной опорной сети автомобильных дорог Дальнего Востока на период до 2025 года проведена оценка ее экономической эффективности,  определена очередность вложения инвестиций в строительство и модернизацию дорог с выделением первоочередных участков дорог для маршрутной модернизации и реконструкции.  Обоснованы предложения по привлечению инвестиций для строительства и модернизации отдельных участков на основе принципов государственно-частного партнерства (ГЧП).

9. Полученные в результате исследований теоретические и технико-экономические решения были  использованы при подготовке программы развития и модернизации автомобильных дорог Дальневосточного федерального округа,  включены в региональные дорожные нормы, технические указания и методические рекомендации на строительство и модернизацию сети автомобильных дорог региона и создали научную основу для реализации задач Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы)» в Дальневосточном федеральном округе.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Авторские монографии

1. Ярмолинский  В.А. Оптимизация развития региональной автодорожной сети Дальневосточного федерального округа / В.А. Ярмолинский. – Владивосток: Дальнаука, 2005. – 236 с.

Коллективные монографии

1. Ярмолинский  А.И. Проектирование конструкций автомобильных дорог с учетом природно-климатических особенностей Дальнего Востока / А. И.  Ярмолинский, В.А. Ярмолинский.–  Хабаровск: изд-во Тихоокеан.  гос. ун-та, 2005.– 197 с.

2. Ярмолинский А.И. Обоснование требований к ширине обочин и типу их укрепления / А.И. Ярмолинский, П.А. Пегин, И.Н. Пугачев, В.А. Ярмолинский. – Хабаровск: изд-во Тихоокеан. гос.  ун-та, 2006. – 209с.

Патенты

1. Ярмолинский А.И. Конструкция земляного полотна / Ярмолинский А.И., Пегин П.А., Ярмолинский В.А. // №2288986, - М.:  2006.

Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ

       1. Ярмолинский В.А. Программа моделирования оптимального плана перевозок на сети автомобильных дорог,  минимизирующая общее время перевозок за счет выбора кратчайших незагруженных путей «Roads» / Ярмолинский В.А., Епанешникова И.В. //  № 2007614319, - М.: 2007.

Публикации в журналах и изданиях, включенных в перечень, определенных  Высшей аттестационной комиссией

1. Леонтьев Р.Г. Стратегия развития региональной автодорожной сети Дальневосточного федерального округа / Р.Г. Леонтьев, В.А. Ярмолинский // ВИНИТИ. Транспорт: Наука, техника, управление.– 2003.– № 4.– С. 34-41.

2. Ярмолинский В.А. Развитие региональных автомобильных дорог на подходах к автотранспортным пограничным пунктам пропуска Дальневосточного федерального округа / В.А. Ярмолинский // ВИНИТИ. Транспорт: Наука, техника, управление.– 2004.– № 5.– С. 34-37.

3. Леонтьев Р.Г. Развитие автомобильных дорог на подходах к пограничным транспортным переходам Дальнего Востока / Р.Г. Леонтьев, В.А. Ярмолинский // ВИНИТИ. Транспорт: Наука, техника, управление.– 2004.– № 10.– С. 20-23.

4. Ярмолинский В.А. Пути привлечения иностранных инвестиций для объектов дорожного хозяйства Дальнего Востока / В. А.  Ярмолинский // ВИНИТИ. Транспорт: Наука, техника, управление.– 2005.– № 7.– С. 30-32.

5. Ярмолинский В.А. Перспективы развития платных автомобильных дорог в Дальневосточном федеральном округе / В. А.  Ярмолинский // ВИНИТИ. Транспорт: Наука, техника, управление.– 2005.– № 10.– С. 34-37.

6. Ярмолинский В.А. Повышение инвестиционной привлекательности проектов автомобильных дорог, задействованных в международных автомобильных переходах / В. А.  Ярмолинский, А.В. Семенов // ВИНИТИ. Транспорт: Наука, техника, управление.– 2007.– № 1.– С. 44-45.

7. Ярмолинский В.А. Особенности расчета водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог в условиях глубокого сезонного промерзания Дальнего Востока / В. А.  Ярмолинский // Транспортное строительство.– 2009.– № 2.

Публикации в материалах конференций и периодических изданий

1. Бойко В.Ф. Второе приближение метода аналитического определения удельной поверхности дисперсных материалов / В.Ф. Бойко, В.А. Ярмолинский //  Колыма: производственно-технический журнал. –  1999. – № 3. – С. 36-38.

2. Ярмолинский А.И. Состояние и перспективы развития региональной сети автодорог в связи с вводом в эксплуатацию автомобильного моста у г. Хабаровска /  А. И. Ярмолинский,  В.А. Ярмолинский // Проблемы дорожно-транспортного комплекса Дальневосточного региона в связи с вводом в эксплуатацию автодорожного проезда по мосту через реку Амур у г. Хабаровска: материалы научно-технической конференции. –  Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун -та,  1999. – С. 8-11.

3.  Ярмолинский В.А. Оценка влажности и плотности грунта откосов земляного полотна в условиях переменных температурных полей / В.А. Ярмолинский, В.И. Кулиш, А. И.  Ярмолинский  // Моделирование и расчеты на прочность искусственных сооружений: сб. науч. трудов. – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун -та, 1993. – С. 94-101.

4. Ярмолинский В.А. Оценка эффективности регулирования водно-теплового режима подтапливаемых откосов земляного полотна бетонными ребристыми плитами / В.А. Ярмолинский // Моделирование и расчеты на прочность искусственных сооружений: сб. науч. трудов. – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун -та,  1993. – С.19-23.

5. Ярмолинский В.А. Экспериментальные исследования водно-теплового режима откосной части земляного полотна, укрепленного ребристыми плитами / В.А. Ярмолинский // Моделирование и расчеты на прочность искусственных сооружений: сб. науч. трудов. – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун -та, 1993. – С.104-106.

6. Ярмолинский В.А. Влияние крупных населенных пунктов на развитие региональной транспортной системы / В.А. Ярмолинский // Развитие городской инфраструктуры и земельной реформы в условиях перехода к рыночной экономике: материалы научно-технической конференции. –  Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун -та, 2000. – С. 202-208.

7.  Ярмолинский В.А. Оценка характеристик движения на участке федеральной дороги «Восток» (обход  г. Хабаровска) / В.А. Ярмолинский // Повышение эффективности и качества строительства и ремонта автомобильных дорог в Дальневосточном регионе: материалы научно- практических конференций. – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун -та, 2001. – С. 21-26.

8. Ярмолинский В.А. Оптимизация развития автодорожной сети Дальневосточного региона / В.А. Ярмолинский // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: региональный ежегодный сборник научных трудов. – Хабаровск : Изд-во Хабар. гос. техн. ун –та,  2001. – Вып. 1. – С. 71-82.

9. Ярмолинский В.А. Особенности развития транспортной системы территориальных центров Дальневосточного федерального округа  (на примере г. Хабаровска) / В.А. Ярмолинский // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: региональный  ежегодный сборник научных трудов.– Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2002. – Вып. 2. – С. 164-176.

10. Ярмолинский В.А. Развитие региональной автодорожной сети Дальнего Востока за счет повышения сроков службы дорожных одежд / В.А. Ярмолинский, Р.В. Абросимов // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: региональный  ежегодный сборник научных трудов.– Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2002. – Вып. 2. – С. 176-181.

11. Ярмолинский А.И. Стратегия инвестиционного процесса при создании региональной сети автомобильных дорог Дальнего Востока / А. И. Ярмолинский, В.А. Ярмолинский, В.К. Иваненко // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: региональный  ежегодный сборник научных трудов.– Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2002. – Вып. 2. –С. 155-164.

12. Ярмолинский В.А. Проблемы развития сети автомобильных дорог Дальневосточного региона / В.А. Ярмолинский // Проблемы качества  эксплуатации автотранспортных средств: Материалы II международной научно-технической конференции.–  Пенза:  ПГАСА, 2002. – Ч.I. – С. 217-222.

13. Зубарев А.Е. Проблемы развития  международных транспортных коридоров Дальневосточного федерального округа / А.Е. Зубарев, В.А. Ярмолинский // Проблемы развития экономики Дальнего Востока: материалы Международной научно-практической конференции. – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун –та, 2003. –  Ч. 2. – С. 125-128.

14. Ярмолинский В.А. Специфика инвестиционно- строительной деятельности автодорожного комплекса Дальневосточного федерального округа / В.А. Ярмолинский // Современная практика продвижения современных идей в сфере лизинга на Дальнем Востоке России: материалы региональной научно-практической конференции.– Хабаровск: Изд-во ООО «Экономический лабиринт», 2003.– С. 131-134.

15. Ярмолинский В.А.  Исследование сезонности объема перевозок грузов через автотранспортные пограничные переходы Дальневосточного федерального округа на примере перехода «Дунин- Полтавка» / В.А. Ярмолинский, А.В. Семенов // Автомобильный транспорт Дальнего Востока и Сибири 2004: сборник материалов межрегиональной научно-практической конференции. – Хабаровск: Изд-во ХГТУ, 2004.– С. 281-293.

16. Ярмолинский В.А. Пути привлечения иностранных инвестиций для объектов дорожного хозяйства Дальнего Востока / В.А. Ярмолинский, И.А. Осадчая // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: межвузовский ежегодный сборник научных трудов.– Хабаровск: Изд-во ХГТУ, 2004. Вып. 4.– С. 60-66.

17. Ярмолинский В.А. Повышение роли автомобильных дорог в эффективности международных перевозок / В.А. Ярмолинский // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: труды Четвертой международной научной конференции творческой молодежи, 12-14 апреля 2005 г. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2005. – Т 1.– С.160-164.

18. Ярмолинский В.А. Роль автомобильных дорог Дальневосточного федерального округа  в международном сотрудничестве стран АТР / В.А. Ярмолинский, И.А. Осадчая // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: труды Четвертой международной научной конференции творческой молодежи, 12-14 апреля 2005 г. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2005. – Т 1.– С. 130-133.

19. Ярмолинский В.А. Интеграция автотранспортных коридоров Дальневосточного федерального округа в работу международной транспортной системы / В.А. Ярмолинский // Прогресс транспортных средств и систем – 2005: материалы международной научно-практической  конференции.– Волгоград: Изд-во Волгоград. гос. техн. ун-та, 2005. – Ч. II. – С. 479-480.

20. Ярмолинский В.А. Гидрофобные дисперсные материалы на основе техногенных отходов в строительстве / Н.И Ярмолинская, В.А. Ярмолинский, Т.Л. Лазарева // Современные перспективы, технологии и материалы для строительного, дорожного комплексов и жилищно-коммунального хозяйства»: материалы II-III международных научно-практических  конференций. Брянск – 17-18 апреля 2003г., 15-16 апреля 2004г. – Брянск: Брянская государственная инженерно-технологическая академия (БГИТА), 2005. – С. 48-51.

21. Ярмолинский В.А. Методика оценки прочности и методы усиления дорожных одежд автомобильных дорог Дальнего Востока / В.А. Ярмолинский // Современные перспективы, технологии и материалы для строительного, дорожного комплексов и жилищно-коммунального хозяйства»: материалы II-III международных научно-практических  конференций. Брянск – 17-18 апреля 2003г., 15-16 апреля 2004г. – Брянск: Брянская государственная инженерно-технологическая академия (БГИТА), 2005. – С. 124-126.

22. Ярмолинский А.И. Обоснование ширины обочин и типа их укрепления в условиях Дальневосточного региона / А.И. Ярмолинский, П.А. Пегин, И.Н. Пугачев, В.А. Ярмолинский // Вестник Тихоокеанского государственного университета. – Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2005. –  № 1. – C. 141-160.

23. Ярмолинский В.А. Государственно-частное партнерство (ГЧП) – перспективное направление развития городской улично-дорожной сети крупных городов Дальневосточного федерального округа / В.А. Ярмолинский // Пути повышения эффективности функционирования улично-дорожной сети г. Хабаровска: материалы научно-технической конференции.– Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2005. – С. 40-49.

24. Ярмолинский В.А. Способы привлечения дополнительных источников финансирования на восстановление и развитие улично-дорожной сети г. Хабаровска / В.А. Ярмолинский, И.А. Осадчая // Пути повышения эффективности функционирования улично-дорожной сети г. Хабаровска: материалы научно-технической конференции.– Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2005. – С. 76-83.

25. Ярмолинский В.А. Перспективы создания платной автомобильной магистрали в обход г. Хабаровска / В.А. Ярмолинский, С.В. Витвицкий, М.В. Черевко // Пути повышения эффективности функционирования улично-дорожной сети г. Хабаровска: материалы научно-технической конференции.– Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2005. – С. 107-114.

26. Долганов А.И. Оценка изменения прочности автомобильных дорог Дальнего Востока во времени и установление расчетных зависимостей вероятностного характера / А. И. Долганов, В.А. Ярмолинский  // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: региональный  ежегодный сборник научных трудов.– Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2006. –  № 6. – C. 20-27.

27. Долганов А.И. Моделирование требуемых параметров надежности дорожных конструкций  в сложных природно-климатических условиях Дальнего Востока / А. И. Долганов, В.А. Ярмолинский  // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: региональный  ежегодный сборник научных трудов.– Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2006. –  № 6. – C. 62-70.

28. Ярмолинский В.А. Моделирование процесса перевозки грузов на графе сети автомобильных дорог с использованием программы «ROADS» / В.А. Ярмолинский, И.В. Епанешникова  // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: региональный  ежегодный сборник научных трудов.– Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2006. –  № 6. – C. 109-120.

Ярмолинский Владимир Аполенарьевич

РАЗВИТИЕ И МОДЕРНИЗАЦИЯ ОПОРНОЙ 

АВТОДОРОЖНОЙ СЕТИ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА 

ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЕЕ НАДЕЖНОСТИ

В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Подписано к печати Формат 60x84 1/16

Бумага писчая. Гарнитура «Arial». Печать цифровая. Усл. печ. л. 2,4

Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано в типографии ОАО ЦНИИС

129329, Москва, Кольская 1

Тел.: (495) 180-94-65






© 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.