Введение к работе
Актуальность темы. Среди многообразных и сложных факторов, оказывающих влияние на эксплуатационную надёжность автомобильных дорог и, соответственно, затраты на приведение их в требуемое техническое состояние в течение жизненного цикла специалисты выделяют комплекс географических признаков, как доминирующий. Учёт элементов геокомплекса при проектировании и строительстве автомобильных дорог осуществляют, базируясь на результатах дорожно-климатического районирования территорий. В основе дорожно-климатического районирования, нашедшего отражение в нормативно-технических документах дорожной отрасли, лежат результаты длительных и основательных исследований, полученные в основном на сети автомобильных дорог европейской части бывшего СССР. За единицу дорожно-климатического районирования принят таксон «зона».
Отдавая должное результатам работ середины прошлого века по дорожно-климатическому районированию, отмечая их значение для огромной и разнообразной по природным и климатическим условиям территории нашей страны, ряд учёных считает, что требования и рекомендации, позволяющие учитывать особенности географического комплекса при проектировании автомобильных дорог, далеко не всегда прошли качественную и достаточную проверку в Сибири и на Дальнем Востоке России. Сложившийся подход к выделению однородных территорий только по зональным признакам геокомплекса при дорожно-климатическом районировании без дополнительного иерархического её деления не позволяет обеспечивать требуемый уровень эксплуатационной надёжности транспортных сооружений по критерию работоспособность, поскольку каждая зона территориально распространена в пределах и европейской, и азиатской частей России и включает большое разнообразие природных и климатических признаков. Выделение таксона «подзона» на картах дорожно-климатического районирования в СП 34.13330.2012 «Автомобильные дороги» и других действующих нормах проектирования, к сожалению, недостаточно критериально обосновано и не обеспечивает качество проектирования, а следовательно снижение затрат на приведение объектов транспортной инфраструктуры в требуемое по условиям движения техническое состояние в течение жизненного цикла. Решение существующей проблемы обеспечения эксплуатационной надёжности дорожных конструкций по критерию работоспособность за счёт развития и уточнения теоретических положений по учёту региональных особенностей признаков географического комплекса при формировании норм проектирования автомобильных дорог весьма актуальна для дорожной отрасли.
Степень разработанности темы исследований. В настоящее время в некоторых регионах России, таких, как Дальний Восток, Западная Сибирь, Республика Саха, Архангельская и Астраханская области, осуществляются работы, направленные на уточнение территориального распространения границ дорожно-климатических зон. Решение задач, связанных с районированием местностей, исследователи (С.В. Алексиков, М.В. Бадина, Т.В. Боброва, В.В. Боровик, И.С. Васильев, А.К. Виноградский, О.Н. Гулько, В.А. Давыдов,
4
А.А. Дубенков, В.Н. Ефименко, Л.Г. Иванова, В.Д. Казарновский, А.Г. Круглов,
А.М. Кулижников, О.М. Морина, Т.В. Самодурова, А.А. Цернант,
А.И. Ярмолинский, В.А. Ярмолинский и др.), как правило, реализуют приме
нительно к организационно-технологическому направлению деятельности
предприятий отрасли – проектирование, строительство или сезонное содержа
ние автомобильных дорог на территориях административных образований
Российской Федерации. Для отмеченных работ характерно отсутствие: единого
методологического подхода в выборе признаков географического комплекса
для обоснования территориальной однородности и целостности единиц, выде
ляемых в той или иной классификационной системе (В. Бунге,
Т.П. Куприянова, В.Я. Ткаченко и др.); приёмов сбора и обработки сведений
для моделирования территориального распространения таксономических еди
ниц с применением элементов геокомплекса; методов дорожно-климатического
районирования. Такое положение препятствует широкому и эффективному при
менению в ряде регионов страны предлагаемых исследователями решений по
учёту природных и климатических условий локальных территорий при проекти
ровании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог.
Мировой опыт исследований в части учёта признаков географического комплекса при дифференциации территорий для целей проектирования автомобильных дорог отражён в нормах, директивах и руководствах, действующих в Великобритании, КНР, США, ФРГ, Швеции, и др. государствах, в том числе ближнего зарубежья (М.Н. Гудзинский, В.П. Корюков, Р.З. Порицкий, Б.Б. Каримов и др.). При этом совокупность знаний о понятиях «дорожная зона», «дорожный район», которыми оперируют зарубежные и отечественные разработчики нормативных документов, не позволяет считать принятые ими единицы дорожно-климатического районирования частью классификационной системы, например, иерархической, в которой составляющие её таксоны находятся в отношении соподчинения.
В настоящее время теория расчёта дорожных одежд получила значи
тельное развитие в работах Г.И. Глушкова, С.К. Илиополова,
В.А. Кульчицкого, В.П. Матуа, А.Е. Мерзликина, А.В. Смирнова,
Б.Б. Телтаева, Е.В. Угловой и других. При этом достоверность расчётных
значений показателей грунтов, применяемых в разрабатываемых и действу
ющих методах расчёта не всегда соответствует запросам науки и практики.
Это подтверждает актуальность исследований по уточнению региональных
норм проектирования автомобильных дорог.
Необходимость решения актуальной для дорожной отрасли России про
блемы обеспечения качества проектирования автомобильных дорог в общем
плане развития и совершенствования нормативной базы обозначена в работах
И.А. Золотаря, И.И. Леоновича, Ю.Л. Мотылёва, Н.А. Пузакова,
В.И. Рувинского, В.М. Сиденко, А.Я. Тулаева, В.Н. Шестакова и мн. др. разработчиков теории и методов расчёта и регулирования водно-теплового режима дорожных конструкций. Однако её решение возможно лишь при едином отраслевом подходе, отражающем существующий и предлагаемый опыт дорожно-климатического районирования, апробированный на региональном уровне.
Цель исследования. Развить теоретические положения по дорожно-климатическому районированию территорий административных образований, обосновать распространение границ таксономических единиц зона, подзона, район и нормировать региональный комплекс расчётных значений характеристик прочности и деформируемости грунтов для проектирования дорожных одежд, обеспечивающих эффективность и требуемый уровень надёжности эксплуатируемых автомобильных дорог.
Для достижения сформулированной цели исследования необходимо решить следующие задачи.
Разработать методологию выявления географического распространения границ дорожных зон, подзон и районов, основанную на выделении однородных по комплексу географических признаков территорий, занимаемых административными образованиями и обоснования расчётных значений свойств глинистых грунтов для проектирования дорожных одежд.
Сформулировать рекомендации по формированию информационной базы, параметрами которой являются элементы географического комплекса зонального, интразонального и регионального характера, определяющие особенности годового цикла водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог.
Предложить технологию и математические алгоритмы уточнения территориального распространения границ дорожных зон, подзон и районов, а также корректировки их географического положения при наличии необходимости стыковки нескольких областных или краевых единиц в регионах.
Уточнить математические модели характеристик, определяющих прогнозное осеннее и зимнее влагонакопление в водонасыщенных и частично водонасыщенных грунтах земляного полотна автомобильных дорог с учётом природных и климатических условий Западно-Сибирского региона.
Построить комплекс математических моделей изменения свойств прочности и деформируемости в зависимости от влажности глинистых грунтов земляного полотна в условиях геокомплекса территорий исследования для обеспечения качества решений, принимаемых при проектировании автомобильных дорог.
Обосновать экономическую эффективность работ по дорожно-климатическому районированию территорий и стандартизации расчётных значений свойств грунтов земляного полотна с учётом изменчивости, характерных для них признаков геокомплекса.
Научная новизна работы заключается в установлении региональных связей и закономерностей, отражающих влияние элементов геокомплекса на протекание водно-тепловых процессов в дорожных конструкциях при уточнении дорожно-климатического районирования и обосновании расчётных значений характеристик грунтов, обеспечивающих надёжную и эффективную эксплуатацию автомобильных дорог в течение жизненного цикла. Новые научные результаты состоят в следующем.
1. Разработана методология выявления географического распространения границ дорожных зон, подзон, районов, основанная на выделении однородных по признакам геокомплекса территорий и назначения расчётных
6 показателей свойств и состояния грунтов земляного полотна, необходимых при проектировании дорожных одежд.
-
Сформулированы рекомендации по формированию информационной базы для математического моделирования параметрами географического комплекса зонального, интразонального и регионального характера, определяющими изменения в годовом цикле водного и теплового режимов земляного полотна автомобильных дорог.
-
Разработана технология выделения таксономических единиц (зона, подзона, район), основанная на применении математических алгоритмов назначения и корректировки географического положения их границ, для территорий смежно расположенных областных или краевых административных образований региона.
-
Предложены новые и уточнены существующие математические модели, характеризующие закономерности воздействия доминирующих на территории исследования признаков геокомплекса на сезонное изменение водно-теплового режима земляного полотна применительно к участкам автомобильных дорог в условиях 2 и 3 типов местности.
-
Построен комплекс математических моделей, отражающих экспериментально установленные и обоснованные с позиции надёжности закономерности изменения свойств прочности и деформируемости в зависимости от влажности глинистых грунтов верхней части земляного полотна в природных условиях территорий исследования для обеспечения качества решений, принимаемых при проектировании автомобильных дорог.
-
Предложена методическая схема и выполнены расчёты по обоснованию экономической эффективности конструкций дорожных одежд, запроектированных с учётом признаков геокомплекса и стандартизованных расчётных значений свойств грунтов земляного полотна, характерных для территории исследования.
Теоретическая и практическая значимость работы. Учёт региональных факторов, влияющих на устойчивость земляного полотна и дорожных одежд и разработка технических мероприятий, обеспечивающих решение проблемы надёжного функционирования автомобильных дорог, основываются на: применении норм проектирования, учитывающих особенности геокомплекса местности, представленных в виде совокупности взаимосвязанных моделей, базирующихся на теоретических и экспериментальных исследованиях, обобщающих результаты полевых и лабораторных работ по изучению характера протекания водно-тепловых процессов в земляном полотне за ряд годовых циклов; формировании информационной базы, отражающей характерные для территории исследования признаки геокомплекса, включая состав и свойства глинистых грунтов; выявления географического распространения линий границ дорожных районов в пределах территорий административных образований; обоснованном назначении точек сопряжений этих линий при рассмотрении случая простирания нескольких субъектов федерации в пределах регионов; принятии комплекса нормативных значений механических характеристик глинистых грунтов, типичных для однородных по сочетанию
7 природных компонентов площадей земной поверхности – таксонов низшего уровня – дорожных районов.
Методология выявления географического распространения границ дорожных зон и районов нашла практическое применение при разработке научно-обоснованных нормативных значений расчётных параметров глинистых грунтов земляного полотна, используемых для проектирования дорожных одежд по условиям прочности и морозоустойчивости вновь строящихся, модернизируемых и реконструируемых автомобильных дорог на территории, занимаемой Кемеровской, Новосибирской, Томской, Тюменской областями и Алтайским краем.
Разработанная информационная технология дорожно-климатического
районирования включает формирование базы исходных данных для математи
ческого моделирования территориального распространения дорожных зон,
подзон и районов в пределах площадей, занимаемых субъектами Российской
Федерации с применением элементов геокомплекса. Для реализации техноло
гии предложены базы данных и программные продукты: «Значения параметров
географического комплекса для дорожно-климатического районирования
Томской области» (Свидетельство о государственной регистрации базы дан
ных № 2016620289, авторы: В.Н. Ефименко, С.В. Ефименко, М.В. Бадина,
А.В. Сухоруков, В.С. Чурилин, Заявка № 2015621708, заявл. 30.12.15, опубл.
29.02.16.); «Выявление простирания линий границ дорожных зон, подзон, рай
онов» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ
№ 2013616874, авторы: С.В. Ефименко, М.В. Бадина, Д.Н. Черепанов,
С.П. Батуев, Заявка № 2013614537, заявл. 03.06.13, опубл. 24.07.13.); «Определение величины испарения с поверхности грунтового основания» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014612694; авторы: С.В. Ефименко, А.В. Сухоруков, Д.Н. Черепанов, С.П. Батуев, Заявка № 2014610172, заявл. 09.01.14, опубл. 05.03.14.); «Определение продолжительности периодов осеннего влагонакопления и промерзания дорожных конструкций» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014615458, авторы: С.В. Ефименко, А.В. Сухоруков, Д.Н. Черепанов, С.П. Батуев, Заявка № 2014615458, заявл. 07.04.2014, опубл. 27.05.2014.); «Определение осенней влажности глинистых грунтов рабочего слоя земляного полотна автомобильных дорог» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014617069, авторы: С.В. Ефименко, А.В. Сухоруков, С.П. Батуев, Заявка № 2014617069, заявл. 20.05.2014, опубл. 10.07.2014.), зарегистрированные Федеральной службой по интеллектуальной собственности (Роспатент).
Часть исследовательских работ выполнена по заказу Федерального дорожного агентства «Росавтодор» (Государственный контракт № 47/295 от 24 сентября 2012 г.) и территориальных органов управления автомобильными дорогами Западно-Сибирского региона. Результаты теоретических исследований, нашедшие отражение в диссертации, частично были получены при выполнении гранта Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 14-07-00673А), госбюджетных тем (Программа Министерства образования и науки РФ «Формирование государственных заданий высшим учебным
8 заведениям в части проведения научно-исследовательских работ». Тема исследования «Обеспечение надёжного функционирования автомобильных дорог Западно-Сибирского региона за счёт учёта особенностей геокомплекса территорий при проектировании транспортных систем» Шифр проекта 7.4834.2011).
Предмет исследования – совокупность связей и закономерностей, установленных теоретически и экспериментально, характеризующая протекание водно-тепловых процессов в земляном полотне транспортных сооружений Западно-Сибирского региона, формирующихся под воздействием природно-климатических условий, отражающих зональные, интразональные и региональные признаки.
Методология и методы исследования базируются на применении принципов выделения и учёта географических признаков при дорожно-климатическом районировании территорий, теоретических положениях физической теории водно-теплового процесса в дорожной конструкции, влияющих на устойчивость автомобильных дорог. В качестве инструментов исследования использованы: положения стохастической теории, методов математического моделирования, информационных технологий, а также программные продукты для решения прикладных задач на ПЭВМ.
Информационной и экспериментальной базой исследований явились, результаты полевых и лабораторных испытаний, а также теоретических и методических работ в составе НИР, выполненных в течение 1999 – 2016 гг. по договорам федерального и территориального уровней при грантовой поддержке Программ Министерства образования и науки Российской Федерации и Федерального государственного бюджетного учреждения «Российский фонд фундаментальных исследований», связанных с обеспечением качества проектных решений и способствующих надёжному и экономичному функционированию автомобильных дорог административных образований ЗападноСибирского региона за счёт учёта особенностей комплекса природных и климатических условий при проектировании транспортных сооружений.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Результаты мониторинга сети автомобильных дорог в административных образованиях Западно-Сибирского региона, полевых и лабораторных испытаний состава и свойств глинистых грунтов земляного полотна.
-
Методическая схема применения таксономической системы «зона– подзона–район» при уточнении распространения границ таксонов, учитывающая территориальную изменчивость признаков геокомплекса при проектировании и строительстве автомобильных дорог в пределах административных образований территории исследования.
-
Методы прогнозирования географического положения границ таксономических единиц в системе «зона – подзона – район» и их корректировки на участках территориального соприкосновения административных образований в пределах площади региона.
-
Разработанная схема дорожно-климатического районирования территории Западной Сибири.
-
Уточнённые методы прогноза расчётных значений влажности глинистых грунтов и модели прогнозирования расчётных величин прочности и
9 деформируемости глинистых грунтов земляного полотна в природных условиях, характерных для II, III и IV дорожно-климатических зон в ЗападноСибирском регионе.
-
Нормированные значения влажности, сдвиговых характеристик и модулей упругости глинистых грунтов, необходимые для проектирования дорожных одежд в природно-климатических условиях Западной Сибири.
-
Схема и результаты технико-экономического обоснования рекомендаций, обобщающих выполненные в регионе исследования.
Достоверность научных выводов подтверждена применением современных методов расчёта; программно-аппаратных средств; сертифицированных методов и приборов для полевых и лабораторных испытаний материалов дорожных одежд и образцов грунтов земляного полотна; существенным объёмом экспериментальных данных, полученных в результате мониторинга сети автомобильных дорог территорий административных образований Западной Сибири; сопоставлением результатов математического моделирования и измерений фактических величин.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. По сути содержания диссертация отвечает требованиям паспорта научной специальности 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», её формуле, в части соответствия предлагаемых решений определениям: «Разработка научных основ специальности осуществляется на базе комплексного изучения связей и закономерностей, влияющих на качество, себестоимость, надёжность и экономичность эксплуатации транспортных сооружений. Исследование этих связей и закономерностей выполнено с учётом современных представлений о формировании природно-технических систем, с применением методов информационного обеспечения, эффективных расчётных моделей и схем на основе системных подходов с целью обеспечения технического прогресса в проектировании, строительстве и эксплуатации транспортных сооружений», а также пунктам 4, 6 и 7 областей исследования, характерных для специальности.
Апробация и реализация результатов исследования: Материалы диссертации были доложены и обсуждены на двенадцати международных конференциях и симпозиумах (7 международных научно-практических конференций, 3 международных конференции студентов и молодых учёных, 1 международной научно-технической конференции, 1 международном симпозиуме) и шестнадцати региональных, российских и всероссийских конференциях, а также научных отраслевых совещаниях, кафедральных и межкафедральных семинарах.
Результаты исследований внедрены в службах заказчика территориальных управлений автомобильных дорог и проектных организациях Томской, Кемеровской, Новосибирской, Тюменской областей и Алтайского края, отражены в проектах автомобильных дорог, реализованы в учебном процессе ТГАСУ, Кузбасского государственного политехнического университета при подготовке инженеров, бакалавров, магистров и специалистов для дорожной отрасли по стандартам третьего поколения.
Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 88 публикациях, в том числе в статьях, нашедших отражение в журналах и сборниках трудов (из них 28 в журналах, включённых в перечень ВАК РФ, 3 работы включены в базу научного цитирования Scopus и 1 в Web of Science), в 5 стандартах предприятий и организаций, получено пять свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ и базы данных. Сведения, сформулированные при работе над диссертацией, приняты как основа для двух монографий (объёмом 15,58 и 22,7 усл. печ. л.), подготовленных в соавторстве.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из двух томов.
Первый том – основной текст диссертации, включает введение, пять глав,
заключение, библиографический список. Текст первого тома диссертации
изложен на 280 страницах машинописного текста и иллюстрирован
67 рисунками и 36 таблицами. Список литературы включает
382 наименования. Второй том включает 16 приложений на 182 страницах.