Введение к работе
Актуальность диссертационной работы заключается в потребности практики в обеспечении с минимальной стоимостью устойчивости эксплуатируемых подтопленных дорожных насыпей без ограничения движения автотранспорта по поврежденному участку дороги.
Дорожная насыпь может быть подвержена в процессе жизненного цикла подтоплению. Дефектность строительства дорожных насыпей достигает 10 %, её природа может быть конструктивной, производственной, технологической и эксплуатационной. Дефекты, оказывающие влияние на показатели устойчивости эксплуатируемой насыпи, создают риск развития ее повреждений.
Для достоверной оценки категории технического состояния подтопленной дорожной насыпи необходима ее диагностика, позволяющая применять те или иные упреждающие мероприятия, снижающие риск развития повреждения и обрушения. Одним из упреждающих мероприятий, обеспечивающих устойчивость эксплуатируемой подтопленной дорожной насыпи, находящейся в ограниченно работоспособном состоянии, является противофильтрационный (ПФ) экран.
Обоснование конструктивно-технологических параметров ПФ экрана эксплуатируемых подтопленных дорожных насыпей является актуальным.
Степень разработанности. Современные способы снижения фильтрации в теле дорожной насыпи либо не применимы для глинистого грунта, либо трудновыполнимы в условиях эксплуатации подтопленной насыпи без ограничения движения автотранспорта. Устройство ПФ экрана современными способами, как правило, не позволяет выполнить работы в период эксплуатации дороги из-за возникновения риска обрушения обводненной части насыпи. Устройство водоупорной одежды со стороны подтопленного откоса эксплуатируемой насыпи возможно в зимнее время.
Основная идея работы заключается в обосновании оптимальных конструктивно-технологических параметров конструкции ПФ экрана в трехмерной постановке, обеспечивающего устойчивость эксплуатируемых подтопленных насыпей дорог. ПФ экран, в отличие от известных способов, эффективно снизит фильтрацию воды через насыпь и повысит ее устойчивость. При этом переменное фильтрационное сопротивление ПФ экрана обеспечит равномерный расход воды через тело насыпи при минимальной стоимости его устройства.
Объектом исследования является подтопленная насыпь дороги из глинистого грунта с ПФ экраном в процессе ее эксплуатации на водоупорном основании.
Предмет исследования - конструктивно-технологические параметры ПФ экрана, обеспечивающие с минимальной стоимостью устойчивости эксплуатируемой подтопленной насыпи.
Цель диссертационного исследования - повышение эффективности обеспечения устойчивости подтопленных насыпей из глинистого грунта.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
обоснована численным моделированием фильтрация через тело насыпи с ПФ экраном, его конструкция с переменной проницаемостью в трехмерной постановке; оптимизированы по стоимости его конструктивно-технологические параметры;
исследовано изменение коэффициента фильтрации глинистых грунтов, обработанных раствором гидроксида натрия;
апробирована на опытном участке комплексная методика георадиолокационного инженерно-геологического обследования подтопленной насыпи с последующей оценкой ее геотехнического состояния для применения упреждающих мероприятий по снижению риска ее повреждения и разрушения;
разработаны методические рекомендации по обеспечению устойчивости откосов эксплуатируемых подтопленных дорожных насыпей из глинистых грунтов управляемым защелачиванием с технико-экономической оценкой их эффективности.
Научная новизна результатов работы заключается:
в обосновании конструкции ПФ экрана с переменным фильтрационным сопротивлением в трехмерной постановке и оптимизацией по стоимости его конструктивно-технологических параметров;
оценке влияния растворов гидроксида натрия с концентрацией более 1н и числа пластичности глинистых грунтов на их коэффициент фильтрации.
Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в конструктивно-технологическом подходе к проектированию ПФ экранов с переменным фильтрационным сопротивлением в трехмерной постановке. Сущность конструктивно-технологического подхода состоит в разработке конструкции ПФ экрана с оптимальными параметрами с учетом технологических возможностей применяемого способа, позволяющего достигнуть этих параметров.
Практическая значимость работы состоит:
в разработке эффективных в технико-экономическом отношении методических рекомендаций по обеспечению устойчивости подтопленной дорожной насыпей управляемым защелачиванием;
в ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия» (СибАДИ) в учебном процессе на факультете «Автомобильные дороги и мосты»;
в проекте на устройство ПФ экрана управляемым защелачиванием грунтов основания резервуара под нефтепродукты.
Методология и методы исследования: теории водно-теплового режима и механики земляного полотна; физико-химическое влияние растворов гидроксида натрия высоких концентраций (н > 1н) на коэффициент фильтрации глинистого грунта, основы численного моделирования фильтрации в капиллярно-пористых средах и решения оптимизационных задач, теории вероятностей и математической статистики, планирования эксперимента.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обусловлена: согласованностью результатов экспериментальных исследований, математического моделирования и натурных наблюдений; использованием сертифицированного георадарного оборудования и лицензионного программного обеспечения для обработки рада-рограмм; достижением допустимой погрешности (0,1 %) численных фильтрационных расчетов.
Положения, выносимые на защиту:
конструкция ПФ экрана с переменным фильтрационным сопротивлением в трехмерной постановке в теле дорожной насыпи, обеспечивающая ее устойчивость и минимальную стоимость;
закономерность снижения коэффициента фильтрации глинистых грунтов с числом пластичности от 5 до 21, обработанных раствором гидроксида натрия NaOH с концентрацией от 2,5 до 7,5 н.
Личный вклад автора состоит: в численном моделировании фильтрации в дорожной насыпи с ПФ экраном в трехмерной постановке; исследовании влияния растворов гидроксида натрия на коэффициент фильтрации глинистых грунтов; участии в опытных работах по устройству фрагмента ПФ экрана и его обследования; методике обоснования оптимизации конструктивно-технологических параметров ПФ экрана и разработке методических рекомендаций по обеспечению устойчивости эксплуатируемых подтопленных дорожных насыпей; формулировании цели и задач исследования и заключения.
Апробация работы проведена на следующих конференциях: XV международной научно-технической конференции «Математическое и компьютерное моделирование в решении задач строительства, техники, управления и образования» (г. Пенза, декабрь 2011 г.); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы строительных конструкций и сооружений», посвященной 20-летию Независимости Республики Казахстан (г. Алматы, 24 - 25 ноября 2011 г.); Научно-практической конференции, посвященной Дню Российской науки (г. Омск, 8 февраля 2012 г.); Международной научно-практической конференции, посвященной 200-й годовщине победы России в Отечественной войне 1812 г., «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (г. Пермь, 26 - 28 апреля 2012 г.); Международном конгрессе "Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации" (г. Омск, 1-3 октября 2013 г.).
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 9 публикациях, в том числе 3 - в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и 8 приложений. Результаты исследования изложены на 136 страницах основного текста, включающего 53 рисунков, 26 таблиц, библиографию из 147 наименований; объем приложения - 21 страницы.
