Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния лесной промышленности и проблемы транспорт ного освоения лесосырьевых баз (на примере Пермского края) 18
1.1 Особенности и общая характеристика лесного фонда 18
1.2 Экономические и социальные критерии оценки эффективности лесотранспортных процессов 22
1.3 Состояние лесотранспортной сети и пути ее совершенствования 27
1.4. Анализ динамической нагрузки на покрытие лесовозной автомобильной дороги в районах с сезоннопромерзающими грунтами 30
1.5. Цели и задачи исследований 32
Выводы 34
2 Особенности работы глинистых оснований лесовозных дорог при промерзании на территории Среднего Урала 35
2.1 Исследование криопроцессах в грунтах оснований лесовозных автомобильных дорог 35
2.2 Распределение влажности в промерзающих грунтах оснований лесовозных автомобильных дорог 38
2.3 Определение начальной температуры замерзания грунтов оснований лесовозных автомобильных дорог 40
2.4 Анализ напряженного состояния грунтов при охлаждении дорожной конструкции лесовозных автомобильных
дорог 42
2.5 Исследование кинетики льдообразовательных процессов в грунтах земляного полотна лесовозных автомобильных дорог 45
Выводы 51
3 Совершенствование технологии дорожного строительства на сезоннопромерзающих грунтах лесовозных автомобильных дорог 53
3.1 Основные пути решения проблемы строительства лесовозных автомобильных дорог в сложных инженерно-геологических и климатических условиях 53
3.2 Обоснование технологии строительства лесовозных автомобильных дорог на слабонесущих грунтах 55
3.3 Определение параметров свай в дорожной конструкции лесовозных автомобильных дорог 56
3.4 Методика определения зависимости глубины сезонного промерзания и оттаивания грунтов от рельефа местности 58
3.5 Разработка методов учета пучинообразования при расчете дорожных конструкций лесовозных автомобильных дорог 63
3.6 Конструктивный способ повышения морозоустойчивости дорожной конструкции ЛАД 67 Выводы 70
4 Экспериментальные исследования физико-механических процессов в сезоннопромерзающих грунтах конструкций лесовозных автомобильных дорог
4.1 Задачи исследований и методика проведения экспериментов 73
4.2 Инженерно-геологические и эксплуатационные условия района проектирования и строительства экспериментальной ЛАД 76
4.3 Исследование изменений температурного режима дорожного покрытия лесовозной автомобильной дороги под воздействием природно-климатических условий 79
4.4 Исследование деформации дорожной конструкции лесовозной автомобильной дороги при подвижной нагрузке 81
4.5 Экспериментальные исследования изменения влажности грунта при промерзании дорожной конструкции лесовозной автомобильной дороги 86
4.6 Результаты комплексных исследований по разработке методов борьбы с морозобойными трещинами 93
Выводы 103
5 Методика расчета сил морозобойного растрескивания дорожного покрытия на ЛАД 105
5.1 Постановка задачи. Основные уравнения 106
5.2 Разработка математических моделей термореологических процессов, происходящих в сезоннопромерзающих грунтах 109
5.3 Методика расчета сил морозного растрескивания земляного полотна ЛАД 116
5.4 Принципы моделирования несущей способности дорожной конструкции в лабораторных и полевых условиях 126
5.5 Результаты расчета несущей способности земляного полотна при использования свай, электрохимического закрепления грунтов и пенополистирола 137
5.6 Результаты расчета несущей способности земляного полотна при использовании свай мелкого заложения на участках подхода к мостовому сооружению 138
5.7 Результаты рачета несущей способности глинистого грунта земляного полотна при использовании элетрохимического закрепления 144
5.8 Результаты рачета несущей способности земляного полотна при использовании пенополистирола в дорожной конструкции 148
Выводы 152
6 Разработка методики расчета по возможности использования свай мелкого заложения, теплоизоляции и электрохимического метода закрепления грунтов на ЛАД 154
6.1 Технология производства работ при применении свай мелкого заложения в основаниях дорожных конструкций 154
6.2 Разработка технологии производства работ при электрохимическом закреплении 158
6.3 Сравнение расчтных и экспериментальных значений несущей способности и основания земляного полотна лесовозной автомобильной дороги 163
6.4 Результаты моделирования по определению процессов, происходящих в массиве дорожной конструкции лесовозной автомобильной дороги 173
Выводы 189
Основные выводы и рекомендации 190
Список использованных источников .
- Состояние лесотранспортной сети и пути ее совершенствования
- Определение начальной температуры замерзания грунтов оснований лесовозных автомобильных дорог
- Обоснование технологии строительства лесовозных автомобильных дорог на слабонесущих грунтах
- Исследование изменений температурного режима дорожного покрытия лесовозной автомобильной дороги под воздействием природно-климатических условий
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Распад СССР привел к изменению отношения к лесной промышленности, особенно в технологии лесозаготовок. Объемы лесозаготовок увеличились в 2 раза. В связи этим, темп перевозок приводит к снижению транспортно-эксплуатационных показателей региональных и территориальных лесовозных автомобильных дорог, повышению времени доставки лесоматериалов на лесоперерабатывающие предприятия, увеличению себестоимости конечной продукции. Увеличение мощности и грузоподъемности транспортных средств приводит к повышенным нагрузкам на дорожное полотно. Также серьезное влияние на прочность дорожной одежды оказывают климатические условия Северо-Западного региона с резкими перепадами температур.
В связи с этим, возникла необходимость изучения условий эксплуатации лесных автомобильных дорог, на которых осуществляется движение транспортных средств, занятых на транспортировке лесоматериалов, с учетом региональной специфики; исследование причин образования морозобойных трещин в дорожном покрытии, и на основе этого формирование единого подхода по совершенствованию транспортно-эксплуатационных показателей лесовозных автомобильных дорог (ЛАД).
В современных экономических условиях динамика развития лесной отрасли связана с решением целого комплекса задач, решающих проблему совершенствования лесозаготовительного производства на основе формирования единой дорожной карты с соответствующими транспортно-эксплуатационными показателями под существующие нагрузки лесовозного транспорта, внедрения энергосберегающих технологий, распределения ресурсов производства лесозаготовительных предприятий, расширения территории освоения лесных ресурсов.
Разработка научных основ в теории повышения надежности дорожного покрытия лесовозных дорог и обоснование выбора оптимальных мероприятий по увеличению сроков службы дорожных конструкций является важной задачей для лесного комплекса страны, определяющей актуальность данной работы.
Работа выполнена в соответствии со Стратегией развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года (приказ Минпромторга России и Минсельхоза России от 31 октября 2008 г. №248/482 и в соответствии с госбюджетной темой ФГБОУ ВО ВГЛТУ «Разработка энергосберегающих и экологически чистых перспективных технологий лесного комплекса» (№ гос. регистрации 01201168746).
Степень разработанности темы исследования. Значительное количество работ российских и зарубежных ученых посвящены вопросам изучения механизма пучинообразования, а также влияния данного явления на устойчивость и долговечность лесовозных автомобильных дорог. Автором изучены основные принципы морозобойного растрескивания покрытия ЛАД в сезоннопромерзающих грунтах; проведен анализ мероприятий, направленных на борьбу с морозным пучением; разработана технология электрохимического закрепления водонасыщенных глинистых грунтов с применением отходов химической промышленности, обеспечи-3
вающая повышение прочности дорожной конструкции за счет отвода воды из рабочего слоя земляного полотна; технологии использования свай мелкого заложения на слабонесущих грунтах и теплоизоляционных материалов в основаниях дорожной конструкции; проведены исследования в области борьбы с водонасыщен-ными глинистыми грунтами; отражены основные технологические приемы по борьбе с морозобойными трещинами.
Недостаточно исследованными и экспериментально обоснованными остаются параметры процесса миграции влаги и закономерности морозного пучения, теплопередачи в слоях дорожной конструкции под воздействием динамической нагрузки и климатических условий. Проблема количественной и качественной оценки указанных процессов неразрывно связана с вопросами динамики развития криогенных процессов в дорожной конструкции и необходимость в которых определяется практикой использования сезоннопромерзающих грунтов в качестве оснований ЛАД.
Применение обоснованных технологий повышения несущей способности дорожной конструкции позволяет создать условия для ритмичной вывозки лесоматериалов на протяжении нормативного срока эксплуатации ЛАД.
Целью диссертационной работы является повышение надежности
лесовозных автомобильных дорог путем увеличения несущей способности рабочего слоя земляного полотна из глинистых грунтов в различных сезонных условиях.
Задачи исследования:
-
Установить закономерности распределения лесотранспортных потоков на дорожной сети многолесных регионов с целью выбора оптимального варианта транспортировки необходимого объема лесоматериалов.
-
Сформулировать концепцию функционирования лесовозных автомобильных дорог (ЛАД) в сложных природно-климатических и грунтовых условиях многолесных регионов.
-
Разработать методику расчета криопроцессов в грунтах оснований ЛАД под воздействием внешней нагрузки и климатических условий многолесных регионов.
-
Разработать методы оценки взаимодействия лесовозного автопоезда с усовершенствованным покрытием лесовозных автомобильных дорог и обоснования параметров нагруженности слабых участков последних.
-
Разработать методику обоснования подбора электролита и технологию выполнения ЭХЗ глинистых грунтов для водонасыщенных глинистых грунтов ЛАД;
-
Разработать методику расчета тепло-физических показателей для оценки влияния природно-климатических факторов на сезоннопромерзающие грунты оснований ЛАД.
-
Разработать математическую модель взаимодействия лесовозного автопоезда с участками сопряжения насыпи с выемкой для снижения степени разрушения ЛАД и обоснования полосы усиления дорожной конструкции.
-
Разработать метод электрохимического закрепления (ЭХЗ) глинистых грунтов, пенополистиролом в дорожной конструкции ЛАД.
9. Разработать стандарт организации (СТО) по борьбе с пучинообразованием на ЛАД с сезоннопромерзающими грунтами многолесных регионов.
Объект исследования – конструкция лесовозных автомобильных дорог многолесных регионов.
Предметом исследования являются методы и методики оценки физико-механических и теплофизических свойства дорожных конструкций ЛАД.
Методы исследований. Исследования выполнены с использованием методов дифференциального и интегрального исчисления, теории вероятности, системного анализа, математического моделирования, регрессионного анализа, фотохрономет-рожа, с использованием программных пакетов MSExel, CorelDraw 13, GeoStudio-2007, Plaxis, РАДОН, ANSYS.
Научная новизна работы:
установлены закономерности возникновения морозобоин в дорожных основаниях ЛАД, отличающийся учтом теплопроводности грунтов и их физические свойства на участках перехода насыпи в выемки и на подходах к мостовым сооружениям;
разработан концептуальный подход для решения задач теплопереноса, отличающийся моделированием участков образования морозобоин в основаниях ЛАД при переходе насыпей в выемку, учитывающий показатели тепло-влагопереноса;
– разработана технология криопроцессов при ЭХЗ глинистых грунтов оснований ЛАД, отличающаяся обоснованием применения экологически безопасного электролита;
- разработаны методы комплексной оценки сцепления лесовозных автопоез
дов с усовершенствованным покрытием ЛАД, отличающееся учетом прочностных
характеристик водонасыщенных глинистых грунтов;
– разработана методика подбора электролита, количество инъекций, схема расположения и технология выполнения ЭХЗ глинистых грунтов, отличающаяся учетом прочностных характеристик водонасыщенных глинистых грунтов ЛАД;
– разработана методика расчета теплотехнических показателей, отличающаяся учетом поперечного сечения дополнительного слоя теплоизоляционного материала в конструкции дорожного основания ЛАД многолесных регионов;
- разработана математическая модель взаимодействия лесовозного автопоез
да с участками сопряжения насыпи с выемкой, отличающаяся обоснованием кон
структивных решений полосы усиления дорожной конструкции;
– разработан метод оценки теплофизических свойств дорожной конструкции, отличающийся учетом несущей способности участков дорожной конструкции в сезонно-промерзающих грунтах ЛАД в многолесных регионах;
– разработан стандарт организации (СТО) по борьбе с пучинообразованием на территориях с сезоннопромерзающими грунтами, отличающийся универсальностью использования в технологических процессах при производстве дорожных работ.
Теоретическая значимость работы. На основании выявленных закономерностей разработаны и научно обоснованы аналитические методы прогнозирования показателей морозоопасных свойств теории грунтов в зависимости от основных динамических и природно-климатических факторов, влияющих на несущую способность дорожной конструкции в сезоннопромерзающих грунтах, позволяющие выявлять критические состояния криогенных процессов в них с целью разработки методов их устранения. Предложенные методы, методики и математические модели позволяют назначить наиболее эффективную технологию усиления дорожной конструкции на участках сопряжения насыпи с выемкой и подходах к мостовым сооружениям ЛАД.
Практическая значимость работы заключается в том, что установлены закономерности образования морозобойных трещин, методики определения объемов дорожных работ, обеспечивающих увеличение сроков службы ЛАД, существенно влияющих на эффективность выполнения лесотранспортных процессов за счет устойчивой работы дорог в интенсивный период лесозаготовок, позволяющих увеличить рентабельность лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий на 10 %.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует специальности научных работников 05.21.01 – «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства». Диссертационное исследование соответствует пункту 6 «Выбор технологий, оптимизация параметров процессов с учетом воздействия на смежные производственные процессы и окружающую среду»; пункту 15 «Обоснование схем транспортного освоения лесосырьевых баз, поставки лесопродукции, выбора техники и способов строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений».
Личный вклад в решение проблемы заключается в определении общей цели и задач исследования, выполнения теоретических, экспериментальных исследований по совершенствованию структуры транспортного освоения арендованных участков лесного фонда, разработке методик, математических моделей, алгоритмов и ЭВМ-программ, обработке экспериментальных данных, разработке основных элементов ее внедрения на предприятиях лесного комплекса страны, подготовке публикаций по теме исследования.
Методическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Теоретической основой исследований явились работы ведущих отечественных и зарубежных ученых по анализу работы ЛАД, научные работы по проектированию, строительству и совершенствованию технологии устройства дорожных конструкций, материалы международных и всероссийских конференций по проблемам транспортного освоения лесных ресурсов. В работе использованы апробированные методы математического моделирования, математической статистики, теории вероятностей.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Закономерности распределения лесотранспортных потоков на дорожной сети, учитывающие физико-механические и теплофизические свойства грунтов ос-
нований дорог в местах сопряжений насыпей с выемками и на подходам к мостовым сооружениям.
2. Закономерности возникновения морозобойных конструкций дорог, позво
ляющие повысить устойчивость дорожных покрытий ЛАД в сложных природно-
климатических и грунтовых условиях многолесных регионов.
-
Методика расчета криопроцессов в грунтах оснований ЛАД, позволяющая проектировать дорожные конструкции с учетом воздействия внешней нагрузки в сложных климатических условиях многолесных регионов.
-
Методы оценки взаимодействия лесовозного автопоезда с усовершенствованным покрытием лесовозных автомобильных дорог, позволяющие обосновать параметры нагруженности слабых участков дорог.
-
Методика обоснования подбора электролита, позволяющая применять ЭХЗ для водонасыщенных глинистых грунтов ЛАД;
-
Методика расчета тепло-физических показателей, позволяющая производить оценку влияния природно-климатических факторов на сезоннопромерзающие грунты оснований ЛАД многолесных регионов.
-
Математические модели взаимодействия лесовозного автопоезда с участками сопряжения насыпи с выемкой, позволяющие снизить степень разрушения ЛАД и обосновать протяженность полосы усиления дорожной конструкции.
-
Метод электрохимического закрепления (ЭХЗ) глинистых грунтов, позволяющий применять пенополистирол в дорожной конструкции ЛАД многолесных регионов.
-
Стандарт организации по борьбе с пучинообразованием на ЛАД с сезон-нопромерзающими грунтами многолесных регионов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением методов математического моделирования; вариационной статистики, теории механики грунтов, геокриологии, использованием в экспериментальных исследованиях современных средств измерений и контроля (терморегистраторы, тепловизоры и т.д.), сопоставлением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, обеспечивающих достаточную сходимость последних.
Личное участие автора в получении результатов. Автором проведен анализ предшествующих исследований, сформулирована проблема, цель, задачи исследования, получены теоретические и экспериментальные результаты, осуществлена их обработка, интерпретация, внедрение на лесных предприятиях страны и в учебный процесс профильных вузов.
Проведены экспериментальные исследования грузопотоков и интенсивности движения на ЛАД, при помощи средств технического обеспечения выполнена оценка распределения температурного поля по поверхности дорожной одежды и определение температурных напряжений в покрытии.
Выполнены экспериментальные исследования теплофизических свойств материалов и грунтов основания дорог, определена рецептура электролитов при ЭХЗ и обоснована методика подбора теплоизолирующих материалов по условию теплопроводности и физико-механическим свойствам; обоснованы технологические ре-7
шения при строительстве и содержании ЛАД в сложных природно-климатических условиях.
Проведены полевые испытания изменения физико-химических и эксплуатационных свойств грунтов при ЭХЗ, применения теплоизолирующих материалов и свай мелкого заложения на экспериментальных участках ЛАД Северо-Западного региона.
Разработана математическая модель и алгоритм возникновения морозобойных процессов в конструкциях ЛАД, учитывающие явление тепло- и влагопереноса в грунтах оснований дорог при переходах с выемки в насыпь и подходах к мостовым сооружениям; предложена методика определения теплофизических свойств грунтов конструкций ЛАД, учитывающая физические и механические процессы при образовании морозобоин в последних.
Разработана технология подбора электролита, количество инъекций, схема
реализации процесса ЭХЗ грунтов основания дорог; методика расчета поперечного
сечения теплоизоляционного слоя в грунтовых основаниях, отличающиеся учетом
несущей способности и теплопроводности грунтов в конструкции ЛАД; методика
оценки состояния дорожной конструкции на территориях с
сезоннопромерзающими грунтами; разработан стандарт организации СТО-01-2013
«Методические рекомендации по восстановлению дорожных одежд на участках с
пучинистыми грунтами. Способы ликвидации пучинообразований» и
рекомендации по ЭХЗ глинистых грунтов, эффективность применения пенополистирола в дорожной конструкции ЛАД.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на международных и региональных научных конференциях:
Международные научно-практические конференции «Автотракторный комплекс. Совершенствование проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Охрана окружающей среды» (Пермь, 2003); «Актуальные проблемы автомобильного, железнодорожного, трубопроводного транспорта в Уральском регионе» (Пермь, 2005); «Автотранспортный комплекс – проблемы и перспективы, экологическая безопасность» (Пермь, 2007); «Современное состояние и инновации транспортного комплекса» (Пермь, 2008); «Состояние и перспективы транспорта. Обеспечение безопасности дорожного движения» (Пермь, 2009); «Инновации в транспортном комплексе. Безопасность. Охрана окружающей среды. Том 1. Инновации в транспортном строительстве: Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию Победы советского народа в Великой Отечественной войне 28–29 октября 2010 г.» (Пермь, 2010); Международной научно-практической интернет – конференции (Киев, 2011); «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. Модернизация в сфере эксплуатации, строительства и реконструкции объектов транспортной инфраструктуры: Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 200-й годовщине победы России в Отечественной войне 8012 г.» (Пермь, 2012); «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: Модернизация транспортных систем. Урбанистика территорий. Охрана окружающей среды. Техносферная безопасность» (Пермь, 2013); «Модернизация и научные ис-
следования в транспортном комплексе Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (Пермь 2014 – 2016 г.г.); «Экология и научно-технический прогресс» (Пермь, 2015); на ежегодных научных конференциях про-фессорско-преподавательского состава ПНИПУ в период с 2012 г. по 2016 г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 64 печатных работах, в том числе 15 изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 38 материалах научных конференций, 3 монографиях, 11 учебных пособий, 1 стандарте организации (СТО 01-2013), 1 рекомендациях для лесопромышленного комплекса Пермского края.
Реализация работы. Полученные результаты и разработанные рекомендации нашли применение в дорожной отрасли и организации производственного процесса лесозаготовительных предприятий Пермского края: при реконструкции автомобильных дорог, используемых для транспортировки лесоматериалов М 7 (134км) и «Восточный обход» (23км) с целью повышения физических и механических свойств грунтов в зоне сопряжения насыпи с выемкой методом электрохимического закрепления; при строительстве, эксплуатации и ремонте ЛАД (Золотанка – Колчим), при обходе пос. Полозна (27км + 480), г. Горнозаводск – п. Теплая гора (68 – 72км); г. Чусвой – г. Горнозаводск (46км + 320) с использованием теплоизоляционного слоя из пенополистирола в конструкции дорожной одежды; при реконструкции лесовозной автомобильной дороги «Красновишерск – Вая» на подходах к мосту через р. Вишера использовались сваи мелкого заложения, а также в научно-исследовательской работе магистров и учебном процессе ФГБОУ ВО УГТУ (г. Ухта), ФГБОУ ВО ВГЛУ (г. Воронеж), ФГБОУ ВО ПНИПУ (г. Пермь).
Структура и объм работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 347 наименований и приложений. Основное содержание работы изложено на 192 страницах машинописного текста, иллюстрированного 65 рисунками и 30 таблицами.
Состояние лесотранспортной сети и пути ее совершенствования
Современный взгляд на существующую систему доставки деловой древесины от мест заготовки неотделим от оценки степени влияния технического прогресса на рентабельность предприятий лесного хозяйства.
Для оценки функционирования систем лесозаготовительного производства с учетом внедренной в Российской Федерации системы сертификации лесов по схеме устойчивого лесохозяйственного управления на основе критериев FSC (соблюдение принципов, установленных Советом по управлению лесами) и стандарта ISO 14001 целесообразно, по многочисленным критериям оценки технологических процессов объединить в три группы: экономические, экологические и социальные.
Несмотря на обилие различных технологических схем, применяемых при заготовке древесины (работы О.Н. Бурмистровой, А.С. Васильева, В.Н. Костяе-ва, О.Н. Галактионова, В.Г. Кочергина, Д.А. Сорокина, С.И. Сушкова, А.Н. Сухих, С.Ф. Орлова, А.К. Редькина, А.А. Шадрина, И.Р. Шегельмана, Ю.А. Ширнина и многих др.) можно выделить две основные операции – лесозаготовительные и лесотранспортные. При этом под лесотранспортными операциями подразумевают не только переместительные операции, но и создание и расположение путей сообщения.
Сохранение и повышение ресурсно-экологического потенциала лесов возможно только при условии экологической, экономической и социальной устойчивости деятельности всех отраслей лесного комплекса. В данном случае, необходима новая форма организации лесотранспортного процесса на основе эффективного использования лесотранспортных машин и погрузочно-разгрузочного оборудования, которая бы обеспечивала максимально возможную сохранность доставки лесных грузов о лесосеки до грузополучателя при снижении удельных транспортных затрат.
В многочисленных исследованиях, проведенных такими учеными, как О.Н. Бурмистровой, В.А. Горбачевским, А.Д. Драке, В.Ф. Кушляевым, И.Н. Кручининым, В.В. Савельевым, Ю.Д. Силуковым, С.Н. Сергеевым, А.А. Шадриным и др., сделаны выводы о целесообразности применения при транспортировке деревьев колесных роспусков, которое обеспечивает снижение удельных энергозатрат примерно в 2 раза. Однако, представленные выводы остаются справедливыми при условии, что все лесотранспортные операции выполняются на прочных грунтах. Для определения основных направлений совершенствования технологического процесса лесозаготовок, специалистами ЦНИИМЭ был проведен экспертный опрос в лесозаготовительной отрасли. В результате опроса были получены следующие ответы: 53 % ведущих специалиста лесной отрасли ответили, что для транспортировки леса в погруженном положении наиболее перспективным является колесная база; за гусеничную - высказались 42 % экспертов [69].
Перспективы сортиментной заготовки, принципы формирования систем машин и вопросы экологической совместимости рассмотрены в работах Ю.Н. Алпатова [7], В.И. Алябьева [8], П.В. Бырдина [64], О. Н. Галактионов [80], В.Н. Костяева [172], М.Ю. Смирнова [264], Ю.А. Ширнина [318] и др.
При сортиментной заготовке древесин некоторым преимуществом обладают системы машин, базирующиеся на колесном шасси и особое место отводится подборке и транспортировке сортиментов к месту назначения.
В работах [8, 10, 64, 88] обоснование основных параметров лесных машин поставлено в зависимости от допускаемых пределов нормального давления от ходовой части на грунт. Поэтому, эффективность работы лесозаготовительного производства существенно будет зависеть от несущей способности лесовозных автомобильных дорог[112, 115].
Лесовозные дороги являются технологическим элементом лесозаготовительного производства. Основные требования к лесным дорогам и сетям сформулированы в работах Алябьева В.И. [8], Вырко Н.П. [74], Грязина А.Д. [114], Жука А.Ю. [137], Ильина Б.А. [147], Кручинина И.Н. [179] и др. Большой вклад в повышение эффективности функционирования лесовозных автомобильных дорог с усовершенствованным типом покрытия внесли такие российские ученые, как В.К. Курьянов, В.В. Савельев, А.В. Скрыпников, С.И. Суш-ков, А.А. Шадрин, Ю.А. Ширнин и многие др. В основу их исследований положены принципы стадийного повышения эксплуатационно-экологического и транспортно-эксплуатационного уровня лесовозных автомобильных дорог. Сеть лесовозных дорог в лесном массиве трехступенчатая: магистраль – ветки – усы. Лесовозные дороги подразделяются на постоянные (со сроком действия свыше 5 лет) и временные (время действия до 5 лет). К постоянным дорогам относятся магистральные дороги, соединяющие лесной массив с нижним лесным складом, и ветки, примыкающие к магистралям и обеспечивающие освоение лесного массива. К временным дорогам относятся ветки, лесовозные усы, дороги для обслуживания лесхозов и т.п. Согласно отраслевым нормам (СНиП 2.05.07-91 «Промышленный транспорт») автомобильные дороги лесных предприятий создают систему, включающую в себя [266, 113]: - внешние автомобильные дороги, соединяющие лесные предприятия, осуществляющие заготовку и переработку древесины с дорогами общего поль зования [110] (по нормам проектирования для дорог III – IV категорий общего пользования СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги» [265]); - межплощадочные лесовозные дороги, соединяющие между собой обо собленные участки и территории, на которых осуществляется заготовка древе сины и другие виды хозяйственной деятельности. При этом транспортная доступность лесных кварталов по каждому лесничеству распределяется на категории транспортной доступности, т.е. удаленности от существующих трасс лесовозных дорог (I – категория до 5 км, II категория до 5-10 км, III категория более 10 км).
Основным показателем функционирования лесотранспортной сети является ее протяженность. При значительных грузооборотах общая протяженность лесных дорог в Российской Федерации составляет 1,46 км на одну тыс. га лесных земель, а в странах Западной Европы и Северной Америки от 10 до 40 км.
Проблема создания на территории Российской Федерации сети автомобильных дорог, в максимальной мере удовлетворяющей потребности населения и государства – исключительно трудная и сложная. Трудности и сложности обусловлены:
Определение начальной температуры замерзания грунтов оснований лесовозных автомобильных дорог
Особенности замерзания поровой воды в грунтах обусловлены взаимодействием воды с дорожной поверхностью, а также наличием достаточного количества растворенных в воде солей. Во временном ряде поровая вода замерзает в следующей последовательности: свободная – рыхлосвязанная – прочносвя-занная, т.е. по слоям. Различие в содержании связанной влаги проявляется при замораживании грунтов различного состава и состояния, определяя величину их температуры начала замерзания[92 - 108].
Различные по гранулометрическому и минералогическому составу и засоленности грунты начинают замерзать при различных температурах (от 0 до 2,50 С и несколько ниже), что обусловлено степенью связности поровой воды (связанной) с минеральным скелетом [117]. У грунтов с большей дисперсностью наиболее низкая температура начала замерзания. Под температурой начала замерзания понимают устойчивую температуру замерзания влаги в грунте Тbf. Температура начала замерзания грунтов Тbf определяется экспериментально в лабораторных условиях.
При выполнении предварительных расчетов при проектировании оснований и фундаментов на сезоннопромерзающих грунтах температуру начала замерзания допускается принимать по табл. 1 обязательного прил.I СНиП 2.02.04-88. Для незасоленных песчаных и крупнообломочных грунтов значение Тbf принимается равным 0о С. Температура начала замерзания пылевато-глинистых, засоленных и биогенных (заторфованных) грунтов Тbf следует устанавливать опытным путем, в соответствии с требованиями ГОСТ 25100-2011[95].
Наиболее существенное изменение содержания коллоидной воды в грунте зависит от их гранулометрического и минералогического состава [83], состояния грунта, концентрации и химического состава грунтового раствора, внешнего давления и других факторов. По результатам исследований Дж.Ф. Хейли [307] и Н.А. Цытович [308] в мерзлых грунтах количество, состав и свойства незамерзшей воды и льда всегда находятся в равновесии, и зависит от внешних условий и воздействий.
Наиболее интенсивные изменения в фазовом составе воды в мерзлых грунтах происходят в начале процесса замерзания (при относительно небольших отрицательных температурах). При значительных по величине отрицательных температурах эти изменения становятся столь малыми, что ими в практических приложениях можно пренебречь. Исследования дали возможность оценить и выделить три основные области фазовых переходов воды в мерзлых грунтах: 1) область значительных фазовых превращений, в которой изменения количества незамерзшей воды ww на 1о С составляет 1 % и более, когда замерзает вся свободная вода и частично рыхлосвязанная; 2) область переходную, где изменения содержания незамерзшей воды менее 1 %, но не более 0,1 %, что соответствует замерзанию всей воды рыхлосвя-занной; 3) область практически замерзшего состояния, где фазовые превращения воды в лед на 1о С не превышают 0,1 %, т.е. соответствует содержанию в грунте только прочносвязанной воды.
Для каждого вида грунта имеется своя характерная кривая зависимости незамерзшей воды ww от величины отрицательной температуры грунта – Т. Установлено, что содержание незамерзшей воды для данного грунта практически не зависит от суммарной влажности грунта (при влажности грунта больше его максимальной молекулярной влагоемкости) [70, 78, 158]. Отмеченные выше положения имеют важное практическое приложение: определив в полевых условиях или путем расчетов суммарную (тотальную) влажность промерзающего грунта и содержание незамерзшей воды представляется возможным рассчитать по температуре содержание в грунте незамерзшей воды, льдистость и другие характеристики для определения показателей физических свойств и оценке состояния сезонно мерзлых грунтов.
В решении многих инженерных задач существенное значение имеет влияние внешнего давления на содержание в мерзлом грунте незамерзшей воды. Поэтому вопросу в настоящее время имеются различные, в основном взаимоисключающие, точки зрения В.Д. Казарновского [157, 158]. Согласно одной из них, внешнее давление разрушающе воздействует на структуру воды, что аналогично повышению температуры Э.Д. Ершов [134] и в соответствии с уравнением Клапейрона-Клаузиса, должно увеличить содержание незамерзшей воды в мерзлом грунте. Значительное влияние давления обусловлено малой контактной площадью между минеральными частицами. Такие усилия, приходящиеся на лед, способны существенно понизить температуру его фазовых переходов даже при небольшой нагрузке на мерзлый грунт [123, 125].
По экспериментальным данным Н.А. Цытовича [309] количество неза-мерзшей воды в мерзлой глине в области интенсивных фазовых переходов (-1,7о С) составило 42 %, тогда как в той же глине, но замороженной под нагрузкой 0,2 МПа – 58 % [303, 305].
Обоснование технологии строительства лесовозных автомобильных дорог на слабонесущих грунтах
Существующие методы и способы повышения морозоустойчивости лесовозных дорог подверженных пучинообразованию, в настоящее время недостаточно полно исследованы и освещаны в научной литературе [223, 224]. Предварительное обследование и выявление пучинистых участков проводят визуально и инструментальным способом дорог в зимне-весенний период.
Основными целями при диагностическом обследовании ЛАД являются -определение характера повреждения участков дороги и степени их развития; оцениваются возможные причины и причины образования; необходимость введения неотложных мероприятий по борьбе с пучинами.
При инструментальном обследовании устанавливают причины образования пучин по выбору мероприятия для их ликвидации.
Инженерно-геологические работы состоят в отборе проб материала дренирующего слоя и грунта насыпи; определении предела границ глубины промерзания и уровня грунтовых вод, непосредственно в местах пучинообразова-ний [225]. Кроме того оценивают состояние покрытия проезжей части, обочин, а также состояние дренажных, водоотводящих устройств, наличие длительно стоящих поверхностных вод, определяют геометрические параметры насыпи.
В расчетный период при значительном протяжении обследуемого участка (более 20 км) необходимо начинать с южного или западного его конца. Опреде ление прочности начинают с испытания дорожных конструкций на участках дефектов.
Испытания в расчетные периоды года (весенние) должны быть начаты за 7 – 10 дней до обычного срока оттаивания земляного полотна и далее в течение всего периода наибольшего ослабления дорожной конструкции. Общий период испытания на каждой конкретной точке – не меньше 30 дней.
Испытания осуществляют методом статического нагружения колесом автомобиля [237]. Особенность испытаний в нерасчетный период года заключается в том, что на каждой контрольной точке проводят одно испытание с одновременным измерением температуры покрытия и влажности грунта непосредственно у кромки проезжей части в скважине или шурфе [228].
Существующие методы испытаний характеризуют фактическую прочность дорожной одежды [42], при условии их проведения в расчетный период наибольшего ослабления дорожной одежды после оттаивания в верхней части [230]. Существующие методы визуальной оценки прочности дорожных одежд не уступают по достоверности инструментальным измерениям.
Модуль упругости записывают в линейный график дорожной одежды [221], далее вычисляют коэффициент запаса прочности дорожной одежды kз = Еф/Етр, (3.5) где Еф – вычисленный модуль упругости; Етр – нормативный модуль упругости. В районах сезонного промерзания грунтов земляного полотна лесовозной автомобильной дороги морозоустойчивость дорожных одежд принимается равной нормативной [287].
По степени пучинистости при замерзании грунты относятся к пучини-стым, сильнопучинистым, чрезмернопучинистым, что требует проведение расчетов по морозоустойчивости [239, 240]. Должно быть соблюдено условие lпуч lпуч.ср. Для дорог, расположенных в II–III дорожно-климатических зонах нормативная допустимая величина морозного пучения увеличивается на 20-40 % и составит 6 – 12 см для асфальтобетонного покрытия.
Расчет на морозоустойчивость предлагается выполнять для совместимых конструкций дорожных одежд и схем увлажнения рабочего слоя земляного полотна. Поправочный коэффициент для определения уровня грунтовых (УГВ) и поверхностных вод (УПВ) определяется зависимостью представительной на рисунке 3.4. – супесь и суглинок тяжелые; 2 – песок и супесь легкая Рисунок 3.4 – Зависимость уровня грунтовых вод для различных категорий грунтов Поправочные коэффициенты для определения массы грунта лежащей над слоем мерзлого грунта определяется по зависимости (рисунок 3.5.)
При назначении конструктивного способа борьбы с морозным пучением и вида дорожных работ необходимо руководствоваться наставлениям по строительству, ремонту и эксплуатации автомобильных дорог от 16 ноября 2012 г. № 402.
Исследование изменений температурного режима дорожного покрытия лесовозной автомобильной дороги под воздействием природно-климатических условий
Расчет единого термодинамического процесса с учетом динамики температурного и влажностного полей при промерзании (протаивании) крайне сложен [310-314]. В значительном числе случаев, когда при промерзании отсутствует интенсивное морозное пучение, связанное с массопереносом, для практических целей можно ограничить расчет процесса промерзания влажного грунта расчетом его теплового режима с учетом фазовых переходов воды. Таким образом, в первом приближении расчет промерзания (протаивания) грунта может быть значительно упрощен.
Для подобных задач существует значительное число методов расчета типового режима промерзающих (протаивающих) влажных грунтов без учета миграции в них влаги, но учитывающих фазовые превращения последней [315]. В силу того, что в зависимости от физических свойств грунта фазовые переходы могут происходить как эвтектически, то есть практически полностью при температуре замерзания (грубодисперсные грунты), так и в спектре температур (тонкодисперсные), возможно две постановки задачи о промерзании без учета миграции. При этом необходимо учитывать напряжения, возникающие на участках появления морозобойных трещин и нагрев покрытия под воздействием подвижной нагрузки (рисунок 5.1).
Если влага замерзает при одной температуре, задача состоит в исследовании динамики температурных полей в мерзлой и немерзлой зонах при наличии подвижной границы раздела фаз между ними (задача Стефана). Скорость продвижения границы раздела фаз также подлежит определению. Если же замерзание (протаивание) влаги происходит в некотором диапазоне температур, т.е. с образованием зоны промерзания, задача еще более усложняется.
При переходе температуры грунта через критическое значение происходит скачкообразное изменение физического состояния грунта. На поверхности, где происходят фазовые переходы (подвижная граница раздела фаз) вс время сохраняется температура плавления (затвердевания), которая без ограничения общности может быть принята равной нулю.
Принимается, что при движении границы раздела происходит полностью выделение теплоты фазовых превращений Qф. В каждой из двух зон (верхняя, мерзлая ограничена плоскостью z=0, нижняя талая - снизу плоскостью z=) искомые функции распределения температур ti (z, ), i=1, 2, удовлетворяют уравнению Фурье, причем начальные распределения ti (z, 0), i=1, 2, заданы. Кроме того, задаются граничные условия в виде распределения температур во времени на обеих границах: t1(0,T) = Ф1(x), (5.1) 106 t(l,T) = 02(x). (5.2) Граничные условия могут быть также II и III родов.
Теплофизические характеристики в обеих зонах - теплопроводность X, температуропропроводность а2, а также влажность (объемная) со и плотность у - постоянны и заданы. При переходе через границу раздела теплофизические константы изменяются скачкообразно.
Изменением плотности теплопроводящей среды пренебрегают, процессы конвекции и лучеиспускания не рассматриваются.
В одномерном случае границей раздела фаз является плоскость z = (т). За время (т, т + Ат) граница переместится на Д. При этом замерзает (если А 0) или оттаивает (если А 0) грунт массой уА и выделится Q тепла, где Оф = х-ю (X = 335200 - объемная теплота фазовых превращений, кДж/м3). Если со - весовая влажность, то дФ=хт-оэ-уо"1, где уо - плотность воды. Для выполнения теплового баланса это количество тепла должно равняться разности количеств тепла, прошедших через границу раздела в моменты тих +Ат. Таким образом, должно выполняться равенство: ( (a1/az - -(a2/az +A )AT = Q . (5.3) При Ат — 0, переходя к пределу, получим условие на подвижной границе раздела фаз, определяющее скорость ее продвижения («условие Стефана»): X1-(dt1/dz -X2-(dt2/dz)l = Q \ (5.4) Интересным свойством условия Стефана является его инвариантность как при процессе промерзания так и при оттаивании если индекс 1 соответствует мерзлой зоне. Направление процесса определяется знаком левой части. Таким образом, задача Стефана является задачей об определении динамики температурных полей внутри каждой зоны и скоростей продвижения границ раздела фаз между ними в многофазной среде.
При расчетах сезонного промерзания или протаивания за 1 принимают обычно глубину нулевых годовых амплитуд [326]. Без ограничения общности можно принять t0 = 0. Таким образом, задача относится к классу нелинейных в смысле условий на подвижной границе раздела фаз. Действительно, так как первое из условий (4,39) выполняется независимо от , то полный дифференциал ti [(), ] по также равен нулю.