Введение к работе
Актуальность работы. Современный этап развития транспортной системы Российской Федерации характеризуется интенсивным ростом количества автомобилей, особенно легковых. Очевидно, что альтернативы соответствующему увеличению объемов строительства и реконструкции автомобильных дорог нет. При этом прогресс невозможен без опережающего решения проблемы качества и надежности дорог, которые, в свою очередь, в значительной степени определяется стабильностью и прочностью земляного полотна.
Основной параметр, определяющий устойчивость земляного полотна, -степень уплотнения грунта. Действующие нормы коэффициента уплотнения грунта, дифференцированные по дорожно-климатическим зонам, не в полной мере учитывают специфику природно-климатических условий отдельных регионов и требуют уточнения. Свойства глинистых грунтов (массовое использование которых неизбежно при строительстве дорог) и их поведение имеют существенную зависимость от генезиса и географических условий, поэтому уточнение норм их уплотнения предполагает выполнение исследований на региональном уровне. Повышение качества проектирования автомобильных дорог за счет более обоснованного и полного учета региональных природно-климатических условий особенно важно и актуально в интенсивно осваивающихся, но мало изученных районах страны, таких, например, как Западная Сибирь.
В то же время реализации регионального подхода при обосновании норм плотности грунта препятствует нерешенность ряда задач исследовательского характера Так, фактически отсутствует методика регионального нормирования, учитывающая неоднородность строительных свойств грунтов. Недостаточно изучены зависимости характеристик деформируемости, морозного пучения от влажности и плотности для грунтов конкретных регионов. Изменчивость свойств грунтов в пределах дорожно-климатических районов представлена исследованиями, которые требуют дальнейшего развития.
Использование обоснованных норм плотности грунтов земляного полотна будет способствовать решению проблемы обеспечения требуемых значений характеристик потребительских свойств автомобильных дорог в процессе их эксплуатации, увеличению межремонтных сроков. Работа развивает положения, сформулированные ранее проф. ИА. Золотарем, НА. Пузаковым, В.М. Сиденко, А.Я. Тулаевым и их учениками.
Актуальность диссертационной работы также подтверждается выполнением её разделов в рамках госбюджетной темы № 1.2.07 «Совершенствование теории сжатых, сжато изогнутых железобетонных конструкций, форм и колебаний, уточнение математической модели грунтов основания» по заданию Федерального агентства по образованию (мероприятие № 1 аналитической ведомственной целевой программы развития научного потенциала высшей школы на 2009-2010 гг.).
Объект исследования - земляное полотно автомобильных дорог из глинистых грунтов.
Предмет исследования - закономерности изменения деформативных и пучинистых свойств глинистых грунтов, определяющих качество и надежность земляного полотна, в зависимости от степени их уплотнения и влажности, ха-
рактера разуплотнения в процессе эксплуатации дорог, для обоснования нормативных требований к степени уплотнения грунтов земляного полотна в условиях Западной Сибири.
Методы исследований - теоретические и экспериментальные, включающие математическое моделирование.
Цель исследования - обеспечение качества проектирования и строительства транспортных сооружений в условиях однородных по территориальному распространению геокомплексов дорожных районов за счет применения региональных норм степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна, более полно учитывающих природные и климатические условия, использующих обоснованные значения характеристик грунтов.
В качестве основной научной гипотезы при проведении исследований принято следующее положение: рациональные нормы степени уплотнения грунтов могут быть получены на основе математического моделирования процесса изменения влажности - плотности грунта на этапе эксплуатации дороги, базирующегося на применении параметров, характеризующих геокомплексы конкретных территорий.
Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы следующие задачи:
Разработать методику регионального нормирования плотности грунтов рабочего слоя земляного полотна автомобильных дорог и алгоритм математического моделирования для прогнозирования плотности грунта, которая устанавливается в процессе эксплуатации дороги в условиях II - III дорожно-климатических зон Западной Сибири.
Установить фактические значения, закономерности изменения характеристик строительных свойств грунтов и степени их уплотнения в земляном полотне строящихся автомобильных дорог региона исследований, обосновать типичные значения основных характеристик грунтов.
Установить закономерности изменения модуля упругости и степени морозной пучинистости типичных для региона исследования грунтов в зависимости от степени их уплотнения и влажности, получить соответствующие математические модели.
Обосновать нормативные значения степени уплотнения глинистых грунтов в земляном полотне автомобильных дорог для условий региона исследований (III и II дорожно-климатические зоны Западной Сибири).
Научная новизна работы заключается в установлении связей и закономерностей, характеризующих свойства глинистых грунтов, их поведение в процессе эксплуатации автомобильных дорог, обеспечивающих качество проектирования транспортных сооружений и, соответственно, экономичность их эксплуатации, с учетом региональных геокомплексов. При этом:
Разработана методическая схема проведения исследований по региональному нормированию степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна. Уточнен алгоритм прогнозирования изменения в процессе эксплуатации дороги плотности глинистого грунта земляного полотна с учетом региональных условий Западной Сибири.
Установлены фактические значения и закономерности изменения характеристик строительных свойств глинистых грунтов и степени их уплотнения 4
в земляном полотне строящихся автомобильных дорог региона исследований, обоснованы типичные значения основных характеристик грунтов.
Установлены закономерности изменения модуля упругости и степени морозной пучинистости типичных для региона исследования глинистых грунтов в зависимости от степени их уплотнения и влажности, получены математические модели, характеризующие установленные зависимости.
Обоснованы нормативные значения степени уплотнения глинистых грунтов в земляном полотне автомобильных дорог для условий региона исследований.
Практическая значимость и реализация работы
1. Практическая значимость состоит:
в уточнении методики прогнозирования значений степени уплотнения грунтов земляного полотна с учетом перспективы эксплуатации дорог в природно-климатических условиях Западной Сибири;
уточнении усредненных (типичных) фактических значений основных характеристик техногенных глинистых грунтов для природно-климатических условий Западной Сибири;
получении зависимостей модуля упругости и степени морозной пучинистости глинистых грунтов от степени их уплотнения и влажности с учетом региональных природно-климатических условий;
региональном нормировании степени уплотнения глинистых грунтов в насыпях автомобильных дорог для дорожно-климатических районов, выделенных на территории Кемеровской области.
2. Результаты исследований внедрены:
в СТО 47-2011 «Региональные нормы плотности глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог»;
при проектировании автомобильной дороги I категории «Новосибирск -Ленинск-Кузнецкий - Кемерово - Юрга» на участке км 295 - км 323,5, автомобильной дороги III категории Чугунаш - Спортивно-туристический комплекс «Шерегеш» на территории Кемеровской области;
в ГУ КО «Дирекция автомобильных дорог Кузбасса» и дорожных организациях Кемеровской области (ГП КО «Автодор», ООО «ДСУ № 1») при строительстве автомобильных дорог: нормы плотности и усредненные значения характеристик грунтов (СТО 47-2011), региональные зависимости характеристик деформируемости и степени морозной пучинистости грунтов (Методические рекомендации по применению золо шлаковых материалов Новокемеровской ТЭЦ в дорожном хозяйстве Кемеровской области; Методические рекомендации по применению золо шлаковых материалов Томь-Усинской ГРЭС в дорожном хозяйстве Кемеровской области; Методические рекомендации по контролю качества устройства несвязных слоев дорожных одежд с помощью установок динамического нагружения; Методические рекомендации по обеспечению и контролю качества уплотнения земляного полотна; Методические рекомендации по обеспечению качества земляного полотна автомобильных дорог на основе региональных норм плотности);
при чтении лекций и в дипломном проектировании студентов специальности 270205 «Автомобильные дороги» в Томском государственном архи-
тектурно-строительном и Кузбасском государственном техническом университетах. Включены в учебные пособия «Нормирование и контроль плотности грунтов земляного полотна» (КузГТУ, 2008), «Конструирование и расчет дорожных одежд» (Кузбассвузиздат, 2008), применяемые при подготовке специалистов-дорожников в вузах Западно-Сибирского региона. На защиту вынесены:
методика регионального нормирования степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог;
методика прогнозирования изменения плотности - влажности грунтов земляного полотна автомобильных дорог в условиях районов Западной Сибири;
результаты полевых и лабораторных исследований свойств глинистых грунтов для дорожно-климатических районов Ш.Р.З, Ш.Х.4, П.Х. 1 и П.Г.2;
усредненные (типовые) характеристики грунтов для региона исследований и аналитические зависимости Е = f(W, Куш), Кпуч =f(W, Kyim), характеризующие региональные свойства грунтов для прогнозирования водно-теплового режима дорожных конструкций и расчета дорожных одежд;
региональные нормы степени уплотнения глинистых грунтов в земляном полотне автомобильных дорог для условий II - III дорожно-климатических зон Западной Сибири.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована необходимым объёмом фактических (экспериментальных) данных, применением современных методов расчётов, поверенных средств измфений, аттестованного испытательного оборудования и утвержденных в установленном порядке методик испытаний и методов измерений, обеспечивающих достаточный уровень надёжности результатов математического моделирования и измфений физических величин. Основополагающие направления исследований базируются на знаниях, ранее полученных отечественными и зарубежными учеными и их школами.
Апробация работы, основные положения и выводы диссфтационной работы докладывались и получили одобрение на следующих конференциях и семинарах: Юбилейной научной конф., посвященной 120-летию со дня рождения проф. М. И. Кучина «Кучинские чтения» (Томск, 2007); I Всероссийской, 54-й научно-практ. конференции «Россия молодая» (Кемерово, 2009); I Международной научно-практ. конференции «Проблемы строительного производства и управления недвижимостью» (Кемфово, 2010); II Всероссийской, 55-й научно-практической конференции «Россия молодая» (Кемерово, 2010); 2-й Региональной научно-практической конффенции «Проблемы земляного полотна железных и автомобильных дорог в условиях Сибири» (Новосибирск, 2010); Всероссийской научной конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (Новокузнецк, 2010); V Всероссийской научно-практической конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (Омск, 2010); VI международной научно-практической интернет-конф. «Состояние и перспективы развития дорожностроительного комплекса» (Брянск, 2010); XIII международной научно-практической конф. «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемфо-
во, 2010); научных межкафедральных семинарах Томского государственного архитектурно-строительного университета (Томск, 2008-2011). Личный вклад автора состоит:
в разработке методики обоснования норм степени уплотнения глинистых грунтов с учетом региональных особенностей;
получении модели прогнозирования изменения плотности - влажности глинистых грунтов земляного полотна для условий Западно-Сибирского региона;
проведении и анализе результатов полевых и лабораторных испытаний свойств техногенных глинистых грунтов, используемых для сооружения земляного полотна в регионе исследований;
установлении аналитических зависимостей Е = f(W, Куш), Кпуч =f(W, Куш) для прогнозирования изменения плотности - влажности грунта и проектирования дорожных одежд в условиях дорожно-климатических районов Ш.Р.З, Ш.Х.4, П.Х.ІиП.Г.2;
получении научно обоснованных данных для разработки региональных нормативных документов.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 19 публикациях, в том числе в 13 статьях, опубликованных в журналах и сборниках трудов (из них 4 в журналах, включенных в перечень ВАК РФ), 6 тезисах докладов на всероссийских и международных конференциях.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов по работе и рекомендаций, библиографического списка, включающего 284 наименования. Объём работы - 200 страниц, в том числе 25 таблиц, 49 рисунков и 3 приложения.
Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам Кузбасского центра дорожных исследований (в первую очередь канд. техн. наук, доц. А.И. Красиль-никову и канд. техн. наук Г.В. Савкину) за содействие в выполнении экспериментальных исследований и предоставление результатов строительного контроля на объектах Кемеровской области.
