Разработка метода расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог

На правах рукописи

КИРИЛЛОВ Федор Александрович

разработка метода расчета дренирующего слоя

дорожных одежд

лесовозных автомобильных дорог

05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание

ученой степени кандидата технических наук

Воронеж – 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия»

Научный руководитель Официальные оппоненты: Ведущая организация

доктор технических наук, доцент Афоничев Дмитрий Николаевич доктор технических наук Бурмистрова Ольга Николаевна доктор технических наук Драпалюк Михаил Валентинович Московский государственный университет леса

Защита диссертации состоится 25 сентября 2009 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 в Воронежской государственной лесотехнической академии (394613, г. Воронеж, улица Тимирязева, 8, зал заседания – аудитория 240).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежской государственной лесотехнической академии.

Автореферат разослан 20 августа 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Скрыпников А.В.

общая характеристика работы

Актуальность темы. Современные методы ведения лесного хозяйства и организации лесопромышленного производства требуют принципиально новых подходов к проектированию лесных (лесовозных и лесохозяйственных) автомобильных дорог, предназначенных не только для вывозки древесины, но и для транспортного обеспечения процессов лесопользования, возобновления и охраны лесных ресурсов. Существующие лесные автомобильные дороги на большей своей протяженности характеризуются низким качеством покрытия, что требует при их реконструкции, капитальном ремонте, а также при новом строительстве уделить особое внимание усилению и повышению качества дорожных одежд.

Разнообразные причины изменения состояния рабочего слоя земляного полотна лесовозных автомобильных дорог, приводят к недопустимым деформациям дорожных одежд, следствием чего являются разрушения дорожных покрытий. Повышение интенсивности движения на лесовозных автомобильных дорогах и грузоподъемности транспортных средств, способствуют внешнему проявлению участков с недостаточной прочностью. В результате снижается безопасность движения и возрастает себестоимость вывозки древесины.

Многолетний опыт эксплуатации лесовозных автомобильных дорог показывает, что одной из основных причин преждевременного разрушения дорожных покрытий является переувлажнение верхней части рабочего слоя земляного полотна из-за неудовлетворительного состояния дренирующих и водоотводных систем. В основаниях дорожных одежд в период оттаивания рабочего слоя земляного полотна накапливается свободная вода, которая отжимается из грунта при интенсивном движении по дороге лесовозных автопоездов и снижает прочность дорожной конструкции в среднем на 20…30 %. Концентрация влаги в зимний период приводит к неравномерным пучениям из-за образования ледяных линз и прослоек, что способствует образованию трещин на дорожных покрытиях. Рекомендуемые для устройства дренирующих слоев дорожных одежд материалы, обеспечивающие эффективное осушение оснований, дорогостоящие, а поэтому необходимо изучить закономерности накопления и перемещения свободной воды в основаниях дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог, устраиваемых из местных дешевых материалов, что позволит разработать адекватный метод расчета таких дренирующих слоев.

Проблема разработки метода расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог актуальна для лесного комплекса, так как ее решение обеспечит повышение транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог, а следовательно и снижение затрат на вывозку древесины. Диссертационная работа выполнена в соответствии с направлением научно-исследовательской работы кафедры транспорта леса и инженерной геодезии Воронежской государственной лесотехнической академии: «Разработка ресурсосберегающих и экологически перспективных технологий лесовозного автомобильного транспорта» (№ гос. регистрации 01.200103889) в 2002–2010 годах.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение транспортно-эксплуатационных качеств лесовозных автомобильных дорог на стадии проектирования путем разработки метода расчета дренирующего слоя дорожных одежд на основе моделирования перемещения свободной воды в их основаниях под действием колесной нагрузки.

Объектами исследований являются процессы накопления и перемещения свободной воды в основаниях дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог под воздействием колесной нагрузки; материалы, используемые для устройства дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог.

Методы исследований. Исследования проводились методами: теории фильтрации, строительной механики, математической статистики, имитационного моделирования, испытаний дорожно-строительных материалов.

Значимость для теории. Полученные: уравнение неустановившейся фильтрации воды в рабочем слое земляного полотна под действием колесной нагрузки, учитывающее сложное напряженно-деформированное состояние грунта; аналитические зависимости величины остаточного порового давления от величины и времени действия колесной нагрузки, типа конструкции дорожной одежды и деформативных свойств грунта; модель движения воды в рабочем слое земляного полотна с учетом основных параметров грунтовой среды уточняют расчет требуемой толщины дренирующего слоя дорожных одежд.

Научная новизна:

– разработана математическая модель движения воды в упруго-пластичной среде и ее поступления в дренирующий слой дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог из рабочего слоя земляного полотна, отличающаяся тем, что учитывает действие внешней динамической нагрузки от лесовозных автопоездов и ее распределения по ширине проезжей части;

– предложена математическая модель неустановившейся фильтрации воды в дренирующем слое, отличающиеся учетом движения в капиллярной зоне при наличии инфильтрации сверху от атмосферных осадков и притока снизу от воздействия колесной нагрузки лесовозных транспортных средств;

– установлены закономерности поступления свободной воды в дренирующий слой дорожной одежды в зависимости от величины остаточного порового давления, отличающиеся учетом времени действия колесной нагрузки;

– получена зависимость, описывающая динамику изменения величины избыточного порового давления в условиях динамического нагружения, отличающаяся удовлетворительным соответствием реальному процессу фильтрации воды в переувлажненном рабочем слое земляного полотна лесовозных автомобильных дорог.

Научные положения, выносимые на защиту:

– математическая модель движения воды в упруго-пластичной среде и ее поступления в дренирующий слой дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог из рабочего слоя земляного полотна, позволяющая определить приток воды в основание дорожной одежды в зависимости от интенсивности движения лесовозных автопоездов;

– математическая модель неустановившейся фильтрации воды в дренирующем слое, которая позволяет обосновать требования к материалу и размерам дренирующего слоя;

– закономерности движения воды в рабочем слое земляного полотна при многократном нагружении, позволяющие уточнить метод расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог;

– принципы проектирования дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог, позволяющие обеспечивать соответствие проектных решений условиям эксплуатации.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена экспериментальными исследованиями, внедрением при проектировании автомобильных лесовозных дорог в Калужской и Воронежской областях, применением современных методов имитационного моделирования, компьютерной обработки информации и планирования эксперимента.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные модели, принципы и положения расчета дренирующего слоя позволяют на стадии проектирования заложить требуемый уровень надёжности лесовозных автомобильных дорог для конкретных условий эксплуатации, а также обосновать параметры дренирующего слоя дорожных одежд, выполняемого из дешевых местных мелких песков и тем самым снизить затраты на строительство лесовозных автомобильных дорог.

Личное участие автора заключается в определении цели и задач исследований, в разработке математических моделей, планировании и проведении экспериментов, анализе результатов работы.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на юбилейной конференции молодых ученых, посвященной 70-летию ВГЛТА (Воронеж, 2000г.); на международных научно-практических конференциях «Проблемы функционирования, стабилизации и устойчивости развития предприятий лесопромышленного комплекса в новом столетии» (Воронеж, 2004 г.); «Технологии, машины и производство лесного комплекса будущего» (Воронеж, 2004 г.); «Наука и образование лесного комплекса» (Воронеж, 2005 г.); на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГЛТА в 2002–2009 годах.

Результаты исследований внедрены: в Центре дорожно-мостового проектирования «Магистраль» (г. Воронеж), МУП «Горкомхоз» администрации г. Воронежа, ООО «СОЮЗАРХПРОЕКТ» (г. Воронеж) и использованы при разработке проектов автомобильных дорог в Воронежской и Калужской областях.

Публикации. Соискателем по результатам диссертации опубликовано 14 научных статей, в том числе 2 статьи в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ и 5 статей без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 86 наименований, 6 приложений. Работа изложена на 161 страницах машинописного текста и включает 21 таблицу и 41 рисунок.

Основное содержание работы

Введение. Обоснована актуальность темы, сформулированы: цель, объекты и методы исследований, показаны: научная новизна, практическая ценность, результаты внедрения, структура и объем диссертационной работы.

1 Состояние проблемы регулирования водно-теплового режима рабочего слоя земляного полотна лесовозных автомобильных дорог. Многолетний опыт эксплуатации лесовозных автомобильных дорог показывает, что в ранневесенний период при оттаивании земляного полотна появляется избыток влаги, которая поступает в основания дорожных одежд вследствие отжатия из водонасыщенного грунта рабочего слоя при воздействии колесных нагрузок от подвижного состава. Во II дорожно-климатической зоне (ДКЗ), а также на мокрых участках (3 схема увлажнения) в III и IV ДКЗ основным источником увлажнения рабочего слоя земляного полотна весной является поступление свободной воды снизу. Этому способствуют динамические нагрузки и выдавливание воды вследствие расширения пузырьков защемленного воздуха при оттаивании грунтов.

В результате анализа литературных источников, посвященных проблемам осушения оснований дорожных одежд, регулирования водно-теплового режима земляного полотна, исследованиям фильтрационных свойств грунтов и дорожно-строительных материалов установлено следующее.

Наиболее полно исследованы процессы увлажнения рабочего слоя земляного полотна в различных климатических и геофизических условиях, разработаны методы борьбы с переувлажнением грунтов путем применения водоотводных систем и систем глубинного дренажа, но не разработан метод определения избытка свободной воды в верхней части рабочего слоя земляного полотна, позволяющий регулировать водно-тепловой режим земляного полотна. Определение параметров дренирующего слоя в настоящее время производится только в зависимости от глубины промерзания или зоны распространения напряжений от действия внешней нагрузки, без учета гидравлических свойств грунтов, что вносит в расчеты существенную погрешность. Приоритетным условием применения дренирующего слоя дорожных одежд является влажность грунта рабочего слоя земляного полотна, формируемая парообразной влагой и свободной водой, однако метода определения условий, при которых происходит отжатие воды из оттаявшего грунта в дренирующий слой не разработано. Методы расчета дренирующих слоев основаны на недостаточно обоснованных представлениях о движении воды в них, что не позволяет предупредить заиливание фильтрующего материала при эксплуатации и произвести подбор гранулометрического состава и свойств материала дренирующего слоя.

Существенный вклад в изучение процессов водно-теплового режима земляного полотна, фильтрации воды в грунтах, дренирования оснований дорожных одежд, способствовавшего развитию современных методов расчета дорожных конструкций и строительства лесовозных дорог в неблагоприятных гидрогеологических условиях, внесли ученые: Л.Т. Абрамов, С.Л. Бастманов, В.А. Борщевский, И.Н. Гольндштейн, И.А. Золотарь, В.К. Курьянов, А.В. Лыков, Н.В. Орнатский, Н.А. Пузаков, Э.О. Салминен, В.М. Сиденко, М.М. Сумгин, А.Я. Тулаев, Н.А. Цитович.

Выявленные недостатки современного представления о закономерностях накопления и движения свободной воды в дренирующих слоях дорожных одежд позволили сформулировать цель работы и определить задачи исследований:

1. Изучить причины и закономерности поступления воды в дренирующий слой дорожной одежды из рабочего слоя земляного полотна при движении по дороге лесовозных автопоездов.

2. Разработать математическую модель движения свободной воды в рабочем слое земляного полотна и дренирующем слое дорожной одежды под действием нагрузок от лесовозных автопоездов с учетом напряженно-деформированного состояния компонентов грунта.

3. Разработать и апробировать метод расчета дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог с аналитическим обоснованием активной зоны рабочего слоя земляного полотна.

4. Обосновать требования к гранулометрическому составу и свойствам материалов дренирующего слоя дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог.

2 Моделирование водного режима рабочего слоя земляного полотна лесовозных автомобильных дорог при движении лесовозных автопоездов. Рассмотрен процесс движения воды в дренирующем слое дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог под воздействием колесной нагрузки от лесовозных автопоездов. При движении лесовозных автопоездов в дорожной конструкции возникают различные по характеру и величине напряжения и деформации, вызывающие, в частности, изменение объема пор в грунте рабочего слоя земляного полотна. Под влиянием динамической нагрузки в воде возникают мгновенные давления, которые стремятся отжать воду в направлении зон с меньшими напряжениями, а возникающие напряжения в грунте способствуют переходу части воды в свободную, что усиливает процесс ее отжатия то есть, фильтрация воды в основаниях дорожных одежд происходит не только за счет гравитационных сил, но и в результате воздействия внешней нагрузки.

Исследуя, процесс изменения влажности и пористости грунта рабочего слоя земляного полотна необходимо получить уравнение фильтрации воды в условиях динамического нагружения с учетом исходного напряженно-деформированного состояния. Основными допущениями при разработке модели движения воды в рабочем слое приняты следующие положения: расчетная модель грунта принимается в виде трехфазной среды, состоящей из твердой, жидкой (несжимаемой) и газообразной фаз; скелет грунта и вода считаются несжимаемыми; защемленные пузырьки воздуха перемещаются вместе со скелетом грунта, а поэтому скорости движения твердой и газообразной фаз можно принять одинаковыми; сжимаемость и растворимость в жидкости защемленных пузырьков газа описываются законами Бойля-Мориотта и Генри; движение воды по порам грунта подчиняется законам фильтрации Дарси-Герсеванова; мерзлый грунт водонепроницаемый и несжимаемый; грунт деформируется только в вертикальном направлении без бокового расширения.

Принята расчетная область грунта рабочего слоя (рисунок 1), расположенная между водопроницаемым дренирующим слоем сверху и водонепроницаемым слоем мерзлого грунта снизу. Давление от колес лесовозного автопоезда передается на оттаявший грунт через конструкцию покрытия в виде равномерно распределенной нагрузки на некотором ограниченном участке.

1 – дорожная одежда; 2 – дренирующий слой; 3 – оттаявшая часть земляного полотна; 4 – водонепроницаемый слой мерзлого грунта Рисунок 1 – Расчетная схема движения воды в частично оттаявшем рабочем слое земляного полотна лесовозной автодороги