Введение к работе
Актуальность темы. Важнейшим направлением преодоления кризисной ситуации регионов, в том числе по восстановлению и развитию промышленности малых городов Российской Федерации, является реконструкция инфраструктуры, в том числе региональной дорожной сети на основе экономичных конструкций и технологии строительства дорожных одежд с использованием накопленных отходов производства и некондиционных местных материалов. Необходимым условием рационального использования местных ресурсов является разработка региональных каталогов с оценкой возможности и эффективности их использования с учетом границ применения на основе транспортных затрат.
Накопившийся недоремонт дорог региональной сети с высокими колейностью и трещинообразованием, дефицит и невысокое качество битума ставят на повестку дня более широкое использование минеральных вяжущих на основе цемента и медленнотвердеющих местных вяжущих (шлаков, шламов, извести, обожженных карбонатных высевок и т.п.).
В решении семинара «Актуальные вопросы строительства и эксплуатации цементобетонных покрытий автомобильных дорог» (Новосибирск-2008) в качестве приоритетной поставлена задача расширения строительства цементобетонных покрытий, особенно на участках в сложных климатических и грунтово-гидрологических условиях с разработкой типовых конструкций при учете региональных возможностей и особенностей.
Одной из сложных и не полностью решенных задач использования бетонов в несущих основаниях является обеспечение трещиностойкости верхних слоев в частности асфальтобетонных покрытий, в том числе на основе разработки эффективных нетрадиционных конструктивно-технологических решений несущего основания, обуславливающего также повышение колееустойчивости дорожной одежды. Для широкого внедрения в практику несущих оснований с использованием минеральных вяжущих в «Программе модернизации и развития сети автомобильных дорог России до 2025» необходимо «создание новых методов конструирования и расчета элементов автомобильных дорог и сооружений на них, основанных на внедрении и широком использовании моделирования и компьютерной техники».
Для реализации поставленных правительством и дорожной наукой программных задач повышения эффективности дорожного строительства выполнено настоящее исследование, предусматривающее анализ и обобщение опыта конструирования бетонных несущих оснований дорожных одежд, реального взаимодействия таких оснований с нижележащими слоями, устроенными на основе использования медленнотвердеющих, способных к омоноличиванию местных материалов. Материалы исследований позволили установить и обосновать эффективное направление конструирования несущих оснований, обеспечивающих повышение надежности и сроков службы конструкции, с разработкой адекватной условиям ее работы современной расчетной модели.
Объект исследования – несущие бетонные слои дорожных одежд на основаниях с использованием отходов производства и местных материалов.
Предмет исследования – устойчивость конструкции дорожной одежды с фрагментированным несущим слоем на укрепленном основании.
Цель диссертационной работы – разработка эффективных региональных дорожных конструкций с бетонными несущими слоями и укрепленными нижними слоями при использовании отходов производства, побочных продуктов и местных материалов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
анализ работы и эксплуатационного состояния цементобетонных несущих слоев, построенных на основаниях различных типов с позиций устойчивости, в том числе исследование видов, состава и основных характеристик отходов, побочных продуктов промышленности и некондиционных местных материалов Северо-Западного региона для устройства нижних конструктивных слоев дорожных одежд с разработкой каталога материалов;
-
проведение теоретических исследований устойчивости дорожной одежды с фрагментированным несущим слоем при разных условиях контактирования с нижними подстилающими слоями на основе теории пластинчатых систем с разрывными параметрами с разработкой методики расчета;
-
проведение экспериментальных исследований:
- исследование нефелинового шлама Пикалевского глиноземного завода с целью его использования в основании дорожных одежд под бетонные несущие слои;
- лабораторные и натурные испытания системы «фрагментированный несущий слой на упругом основании» с исследованием в реальном годовом температурно-влажностном режиме линейных деформаций бетонного несущего слоя;
-
разработка практических рекомендаций по расчету и конструированию дорожных одежд с изломами несущего основания;
-
разработка конструкций и технологии строительства дорожной одежды с фрагментированным бетонным несущим основанием, обеспечивающих повышение устойчивости на основе улучшения связей на контакте несущего основания со смежными слоями дорожной одежды.
Научная новизна работы состоит:
1) в использовании адекватной работе бетонного несущего слоя с разрезами-изломами модели пластинчатой системы с разрывными параметрами;
2) в применении для исследования устойчивости дорожных одежд с фрагментированным несущим основанием разрывных функций, моделирующих швы, трещины, разрезы-изломы бетонных несущих слоев, зоны отсутствия контакта слоев на основе развития теории пластин с разрезами;
3) в совершенствовании конструкций, методов и технологии устройства разрезов дорожных одежд при фрагментировании бетонного несущего слоя на основании из медленнотвердеющих местных материалов.
Практическая значимость результатов исследований заключается:
1) в развитии и совершенствовании метода проектирования дорожных одежд, разработанного на основе теории пластин с разрезами с программным обеспечением для непосредственного использования в проектных организациях;
2) в определении оптимальных параметров конструктивных решений и технологии устройства фрагментированного несущего слоя с необходимым дооборудованием средствами механизации (катками, платформами и т.п.) по качественному обеспечению образования вмятин-изломов, с подачей заявки в Федеральную службу по интеллектуальной собственности патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) № 2009148028 на получение патента «Дорожная одежда» на предлагаемую конструкцию и технологию;
3) в разработке рекомендаций по применению местных материалов, в том числе для оснований под бетонный фрагментированный несущий слой:
а) в расширении области применения местных минеральных материалов и экономии цемента;
б) в решении вопросов утилизации нефелинового шлама и улучшении экологической обстановки в районах переработки глиноземов при ликвидации шламовых отвалов;
4) во внедрении материалов исследования в учебные программы – «Изыскание и проектирование автомобильных дорог», «Технология и организация строительства автомобильных дорог», с их использованием при подготовке инженеров, бакалавров и магистров в СПбГАСУ.
На защиту вынесены:
- постановка цели и задач исследования;
- результаты анализа работы и эксплуатационного состояния цементобетонных несущих слоев на основаниях разных типов и оценка эффективности для их устройства региональных побочных продуктов промышленности и некондиционных материалов с разработкой каталога их использования;
- результаты теоретических исследований устойчивости дорожной одежды с фрагментированным несущим слоем на базе теории пластинчатых систем с разрывными параметрами;
- результаты экспериментальных исследований нефелинового шлама Пикалевского глиноземного завода, моделей фрагментированного несущего слоя и определения линейных деформаций бетона несущего слоя в реальном годовом температурно-влажностном режиме Северо-Западного региона Российской Федерации;
- конструкции и технологии строительства дорожных одежд с фрагментированным несущим слоем на основании из нефелинового шлама.
Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе подтверждена сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, адекватностью теоретической модели конструкции как пластинчатой системы с разрывными параметрами реальной пластине с разрезами-изломами на упругом основании.
Реализация результатов исследований осуществлена на объекте ул. Ярослава Гашека г. Санкт-Петербурга.
В 2010 - 2011 гг. намечается выполнение работ с использованием предложенных автором конструкций и технологии строительства при реконструкции нескольких участков автомобильных дорог Ленинградской области.
Теоретические положения диссертационной работы и результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 270205, УИРС, а также при выполнении дипломных работ с научными разделами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно-практической конференции «Современные научно-технические проблемы транспортного строительства» (Казань, 2007); на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение долговечности транспортных сооружений и безопасности дорожного движения» (Казань, 2008); на Международной научно-практической конференции «Наука и инновации в современном строительстве – 2007» (Санкт-Петербург); на ежегодных (с 2007 г.) научных конференциях профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета (Санкт-Петербург); на ежегодных (с 2007 г.) международных научно-технических конференциях молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург). Материалы диссертационной работы используются в дипломном проектировании и в учебном процессе.
Публикации
Основные результаты диссертационной работы отражены в 8 статьях, опубликованных в журналах и сборниках трудов, в том числе в двух статьях в журналах по списку ВАК. Подана заявка о выдаче патента на изобретение.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и трех приложений.
Работа изложена на 189 страницах машинописного текста, включающего 15 таблиц, 50 рисунков, списка литературы из 128 наименований.
