Обоснование расчётных значений характеристик грунтов для проектирования дорожных одежд на территории Красноярского края



Оценивая существующее состояние транспортной инфраструктуры Западной Сибири, можно сделать вывод, что транспортная сеть распределена неравномерно. На примере Красноярского края, можно отметить, что строительство автомобильных дорог здесь велось в основном в Южном широтном поясе, приближенном к Транссибирской магистрали. Таким образом практически вся сеть автомобильных дорог расположена на юге края.

Неравномерное расположение сети автомобильных дорог негативно сказывается на транспортно-логистических возможностях региона, обладающего большим количеством природных ресурсов в своей северной части [1]. Проблема ограниченности дорожной сети сказывается на сроках формирования Северного широтного пояса экономического развития всей страны [2], проходящего по территории Красноярского края. Необходимость скорейшего формирования пояса обусловлена его большой значимостью, так как основная его задача направлена на создание и укрепление единого экономического пространства страны, опираясь не только на сырьевые ресурсы азиатской части России, но и на транспортно-логистические возможности, открывающиеся при обслуживании международных транспортных коридоров [3].

В рамках формирования Северного широтного пояса экономического развития на территории Красноярского края предполагается создать Нижнеангарскую и Норильско-Туруханскую интегрированные производственно-транспортные зоны (ИПТЗ). Создание новых производственных, опорных и перерабатывающих баз повлечет за собой прирост грузопоток как в западном, так и восточном направлениях. Так, например, ориентировочный грузопоток из Нижнеангарской ИПТЗ в западном направлении может вырасти на 0,5–8,0 млн. т. груза, а в восточном — 0,1–3,5 млн. т. груза. Для развития производственных сил Красноярского кря, обеспечения эффективности грузопотоков, а также выхода вышеуказанных ИПТЗ на внутренний и внешний рынки, необходимо значительно расширить транспортную сеть автомобильных дорог.

При планируемом увеличении грузопотоков на север края, можно прогнозировать возведение новых трасс, а также увеличение нагрузки на дорожные конструкции, а недоучёт региональных особенностей при формировании существующих норм проектирования нежёстких дорожных одежд обусловит их недостаточную эксплуатационную надёжность и следовательно, дополнительные затраты на восстановление и поддержание их транспортно-эксплуатационных показателей.

В данном исследовании рассмотрен вопрос учета географического комплекса местности при определении расчётных значений характеристик глинистых грунтов для проектирования дорожных одежд на примере одного из транспортных узлов Нижнеангарского ИПТЗ — города Енисейск.

Согласно СП 34.13330.2012 «Автомобильные дороги» [4] и ОДН 218.046–01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» [5] территорию Енисейский района относится к I дорожно-климатической зоне, что не подтверждают исследования, проведенные как специалистами Томского государственного архитектурно-строительного института [6] так и Г. И. Шелопаевым [7], которые отнесли эту территорию ко II дорожно-климатической зоне.

Следовательно, существует вероятность, что показатели расчета конструкций дорожных одежд, используемые для данного населенного пункта, требуют уточнения.

Задача прогноза значений прочностных и деформационных характеристик грунтов, применяемых при расчёте нежёстких дорожных одежд по условию прочности, прежде всего, заключается в обоснованном определении расчетной влажности Wрас.

Исходя из исследований различных ученых, выполненных на автомобильных дорогах Западно-Сибирского региона, в данном исследовании был принят метод, разработанный проф. И. А. Золотарём. [8,9] Его метод установления Wрас для условий близкого залегания уровня грунтовых вод предполагает последовательное установление влажности по сезонам года:

– определение средней осенней влажности грунтов, формирование которой происходит в период, когда осадки в виде дождя превалируют над количеством влаги (Wос), испаряющейся с поверхности дорожного полотна (τвл);

– выявление средней весенней влажности грунтов рабочего слоя земляного полотна к концу зимнего периода (Wвес), принимаемой в дальнейшем за расчётную влажность (Wвес = Wрас).

Осенняя влажность напрямую зависит от длительности периода осеннего влагонакопления, который, в свою очередь, зависит от количества осадков и испарения. В данном исследовании испарение определялось согласно теории турбулентной диффузии, в работе [10] И.А Золотарём обоснована зависимость для вычисления среднемесячной величины испарения:

,

где f — средняя месячная относительная влажность воздуха, д. ед.;

U_ф — среднемесячная скорость ветра на высоте флюгера, м/с;

Θ₂₀₀ — среднемесячная температура воздуха на высоте 200 см, ;

Q_R — радиационный баланс деятельной поверхности, ккал/см².

Определив количество испарения согласно вышеуказанной формуле для г. Енисейск был составлен график, представленный на рисунке 1. С его помощью были определены периоды продолжительности периодов осеннего влаконакопления и промерзания грунта дорожных конструкций.

Рис. 1. Результаты графического способа определения периодов осеннего влагонакопления и промерзания грунта земляного полотна

За начало периода осеннего влагонакопления И. А. Золотарь [11] предложил принимать дату начала преобладания осенних месячных сумм осадков над испарением, устанавливаемую графическим способом, за конец периода τ_вл — дату, соответствующую переходу средней суточной температуры воздуха через 0 ^°С. Однако ученые ТГАСУ, основываясь на результатах ранее выполненных исследований на автомобильных дорогах территории Западной Сибири [12], полагают, что окончание процессов осеннего влагонакопления в грунте земляного полотна и определяющих начало периода его промерзания (τ_пр), будет обусловлено установлением стабильных отрицательных температур воздуха.

Расчёт величины средней осенней влажности осуществляют в зависимости от критерия осеннего влагонакопления (F_он) [10]

 при F_он ≤ 0,25 по формуле

,

 при F_он > 0,25 по формуле:

,

где W_опт — оптимальная влажность грунта рабочего слоя земляного полотна, д. ед.;

W_ПВ — влажность грунта, соответствующая полной влагоёмкости, д. ед.;

Н_а — глубина активного слоя земляного полотна, см.

Метод прогноза влажности грунтов земляного полотна, как уже отмечалось ранее, содержит определение вначале осенней, а затем средней весенней влажности, которую принимают в качестве расчётной при прогнозировании характеристик прочности и деформируемости.

Расчётную влажность в этом случае устанавливают по формуле [10]:

,

где W_h — влажность по жидкой фазе грунта в зоне льдовыделения при температуре в диапазоне от -0,5 до -1,0 °С;

С — коэффициент, учитывающий миграцию влаги при промерзании грунта;

W_ос — осенняя влажность, д. ед.

Принимая во внимание сложность формул и объем вычислений, расчеты были произведены с помощью программ для ЭВМ [13]. Расчет был осуществлен для коэффициента влагопроводности равного 1. Данные, включающие продолжительность периодов осеннего влагонакопления и промерзания, а также значения осенней и весенней влажности приведены в таблице 1.

Таблица 1

Расчет осенней и весенней влажности грунтов земляного полотна для опорных пунктов Красноярского края

Коэффициент влагопроводности грунта, см2/ч	Уровень залегания грунтовых вод от верха земляного полотна	Продолжительность периода осеннего влагонакопления	Продолжительность периода промерзания	Отрицательные температуры воздуха, накопившиеся за период промерзания дорожной конструкции	Осенняя влажность	Влажность грунта взоне льдовыделения		Коэффициент С	Весенняя влажность
						Супесь пылеватая	Суглинок пылеватый		Супесь пылеватая	Суглинок пылеватый
1	0,5	1776	4176	86,6	0,83	0,095	0,13	1,12	0,92	0,77
	1	1776	4176	86,6	0,61	0,095	0,13	1,12	0,67	0,45
	1,5	1776	4176	86,6	0,56	0,095	0,13	1,12	0,62	0,4
	2	1776	4176	86,6	0,56	0,095	0,13	1,12	0,62	0,4
	2,5	1776	4176	86,6	0,56	0,095	0,13	1,12	0,62	0,4

Литература:

1. В. В. Воробьева, Т. Н. Есикова, В. Д. Ионова, В. Ю. Малов. Перспективы формирования северного широтного пояса экономического развития страны // Институт экономики и организации промышленного производства Сибирского отделения РАН. — 2005. — 14 с.
2. Азиатская часть России в экономике страны: тяжелая ноша или кладовая благополучия. Часть 1. / Коллектив авторов. — ФГУП СО РАН, 2005. — 34 с.
3. Малов В. Ю., Мелентьев Б. В. Транспортные коридоры и развитие экономик регионов Сибири (на примере Красноярского края) // Пространственная экономика. — 2005. — с. 32–46.
4. СП 34.13330.2012. Автомобильные дороги. Министерство регионального развития РФ. — М., 2013. — 106 с.
5. ОДН 218.046–01. Проектирование нежёстких дорожных одежд. Государственная служба дорожного хозяйства Министерства транспорта Российской Федерации. — М.: Информавтодор, 2001. — 145 с.
6. Труды Сибирского технологического института / М-во высш. и сред. спец. образования РСФСР; [ред. А. И. Ларионов]. Сб. 40: Работы аспирантов, 1965. — 345 с.
7. Ефименко, С. В. Дорожное районирование территории Западной Сибири: монография / С. В. Ефименко, М. В. Бадина. — Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2014. — 244 с.
8. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд / под. ред. И. А. Золотаря, Н. А. Пузакова, В. М. Сиденко. — М.: Транспорт, 1971. — 416 с.
9. ВСН 21–83. Указания по определению экономической эффективности капитальных вложений в строительство и реконструкцию автомобильных дорог. / Минавтодор РСФСР. — М.: Транспорт, 1985. — 126 с.
10. Золотарь, И. А. Расчёт испарения с поверхности грунтовых оснований в связи с прогнозом их влажностного состояния / И. А. Золотарь // Экспериментальные исследования процессов теплообмена в мерзлых горных породах. — Новосибирск: Наука, 1972. — С. 119–137.
11. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд / под. ред. И. А. Золотаря, Н. А. Пузакова, В. М. Сиденко. — М.: Транспорт, 1971. — 416 с.
12. Ефименко, В. Н. Водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог при глубоком промерзании грунтов (на примере Юго-Востока Западной Сибири): дис. … канд. техн. наук: 05.22.03: / Ефименко Владимир Николаевич. — М., 1978. — 216 с.
13. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014617069. Российская Федерация. Определение осенней влажности глини-стых грунтов рабочего слоя земляного полотна автомобильных дорог / С. В. Ефименко, А. В. Сухоруков, С. П. Батуев; правообладатель ТГАСУ; заявл. 20.05.2014; опубл. 10.07.2014.