Введение к работе
Актуальность темы. Защита земляного полотна автомобильных дорог от переувлажнения является важнейшей задачей, решаемой при их проектировании, строительстве и в период эксплуатации. Степень переувлажнения грунта земляного полотна и его естественного основания определяет его прочность и несущую способность и, в конечном итоге, прочность дорожной одежды, устойчивость земляного полотна по отношению к деформациям сдвига, вероятность образования общих и местных просадок, устойчивость по отношению к местным деформациям откосов.
Грунт земляного полотна и его естественного основания увлажняется поверхностными и грунтовыми водами, поступающими к земляному полотну при выпадении дождей, таянии снега, посредством фильтрации воды в грунте и капиллярного поднятия от уровня грунтовых вод, из постоянных и временных водотоков и водоёмов, пересекающих трассу дороги или расположенных рядом с ней. Исторически отработаны всего два основных, наиболее простых и экономически целесообразных технических решения сохранения требуемых физико-механических свойств грунта в требуемых рамках. Одно решение - сооружение земляного полотна в насыпи, т.е. подъём рабочей части грунта земляного полотна выше уровня капиллярного поднятия воды. При этом заметно увеличивается ширина полосы земли, занимаемой автомобильной дорогой и возникают проблемы, связанные с обеспечением устойчивости самого земляного полотна, с обеспечением безопасности движения автомобилей. Второе решение – строительство вдоль земляного полотна дороги боковых водоотводных канав – кюветов. Это решение используют в случаях строительства земляного полотна в нулевых отметках, в выемках и в насыпях малой высоты (т.е. когда высота насыпи не обеспечивает изоляцию дорожной одежды от капиллярной воды в грунте). Фактически везде, где есть возможность по условиям рельефа и увлажнения местности, второе решение является наиболее рациональным по всем показателям.
По этой причине боковые водоотводные канавы – кюветы – являются наиболее массовыми водоотводными (гидротехническими) сооружениями автомобильных дорог.
Основное назначение кюветов – собрать притекающую к ним поверхностную и, частично, грунтовую воду и транспортировать её к местам сброса – в водоёмы, водотоки, в достаточно удалённые от земляного полотна дорог пониженные места рельефа. Исходя из этого условия осуществляется проектирование кюветов - расположение трассы кювета, назначение продольного уклона, параметры поперечного сечения. Если первые два параметра - положение трассы и продольный уклон – определяются особенностями местности, то поперечное сечение кювета проектируется из условия быстрого водоотвода. Геометрические параметры поперечного сечения кювета назначают исходя из параметров протекающего по нему расчётного водного потока. Условия протекания воды по открытым руслам таковы, что на этот процесс помимо геометрических параметров очень большое влияние оказывают характеристики дна кювета и его боковых стенок. Поэтому при проектировании кюветов приходится решать вопрос их укрепления. Независимо от материала и способа укрепления дна и боковых стенок кювета их характеристики со временем, т.е. в процессе службы кювета, меняются и меняются настолько значительно, что могут, в некоторых случаях, вообще воспрепятствовать протеканию воды. В результате кюветы перестают выполнять свою основную функцию – транспортировку воды, и превращаются в резервуары для её сбора и хранения. В результате вода из кюветов идёт на переувлажнение грунта земляного полотна. В практике эксплуатации автомобильных дорог такие состояния кюветов фактически наблюдаются повсеместно. Существующие методы проектирования кюветов не учитывают этот факт.
Цель и задачи диссертационной работы.
Целью настоящей работы является повышение эффективности работы боковых водоотводных канав на основе опыта их фактического содержания с целью обеспечения прочности и устойчивости земляного полотна автомобильных дорог в период эксплуатации дороги.
Для достижения поставленной цели необходимо:
-
Провести обследование автомобильных дорог с целью установления фактического состояния кюветов.
-
Изучить природно-климатические характеристики территории Республики Вьетнам для оценки целесообразности строительства боковых водоотводных канав вдоль автомобильных дорог в условиях жаркого муссонного климата.
-
Изучить влияние препятствий (загрязнений) , находящихся в кюветах, на параметры протекающего по ним водного потока. Оценить влияние наличия текущего водного потока в кювете на влажность грунта земляного полотна.
-
Разработать предложения по повышению эффективности работы боковых водоотводных канав с целью улучшения осушения грунта земляного полотна автомобильных дорог.
Научная новизна.
На основе натурных экспериментальных исследований впервые получены данные: о фактическом состоянии кюветов и характере загрязнений в период эксплуатации дорог и их влиянии на параметры потока воды в кювете – глубину, скорость, расходную характеристику и пропускную способность кювета; о влиянии водного потока, протекающего по кювету, на влажность грунта земляного полотна, о фактических скоростях протекания воды в кюветах.
Впервые выполнен анализ природно-климатических условий Республики Вьетнам в интересах дорожного строительства - осушения земляного полотна дорог с помощью кюветов.
На основе натурных наблюдений расчётным методом получены реальные значения показателя гидравлического трения стенок и дна кюветов (коэффициента гидравлической шероховатости) (для Республики Вьетнам).
Практическая ценность.
Состоит в разработке рекомендаций по совершенствованию расчёта поперечного сечения кюветов и мер по их содержанию, позволяющих повысить эффективности работы боковых водоотводных канав и тем самым улучшить осушение грунта земляного полотна автомобильных дорог. Для территории Республики Вьетнам определены зоны обязательного строительства боковых водоотводных канав.
Реализация работы. Результаты проведённых исследований и рекомендации были использованы при разработке проекта для объекта вьетнамской компании ОАО «Консультация, проектирование и контроль качества сооружений», института стратегии и развития транспорта и компании ОАО «Инвестиции и передачи транспортной технологии» в разделе проектирования и эксплуатации автомобильных дорог во Вьетнаме.
Личный вклад автора.
Диссертационная работа полностью выполнена её автором: теоретические исследования, лабораторные гидравлические исследования, обследование состояния кюветов вдоль автомобильных дорог, обобщение и анализ полученных результатов выполнены в России (МАДИ/ГТУ/). Выбор участков дорог для изучения работы кюветов во время дождей, обследование состояния кюветов на автомобильных дорогах в районах с муссонным климатом, натурные экспериментальные исследования работы кюветов во время дождей, оценка влажности грунта земляного полотна автомобильных дорог проведены во Вьетнаме (ХИКиТ).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции МАДИ (ГТУ) в 2008 г., на заседании «Дискуссионного клуба молодых учёных» МАДИ (ГТУ) в мае 2009 г., на Первом Всероссийском Дорожном Конгрессе (Москва, январь 2009 г.), на заседаниях кафедры «Строительство и эксплуатация дорог» МАДИ (ГТУ) в 2007 – 2009 г.г.
На защиту выносятся:
Результаты исследований влияния загрязнений, находящихся в кювете, на параметры водного потока – глубину, скорость, расходную характеристику, пропускную способность.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований по оценке значений коэффициента гидравлической шероховатости дна и стенок кюветов.
Результаты исследований увлажнения грунта водой из кюветов.
