Давыдов А.А., Макенов А.А.

 

Республика Казахстан, г. Усть-Каменогорск,

Восточно-Казахстанский государственный технический университет

им. Д. Серикбаева

 

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ С УЧЕТОМ ДВИЖЕНИЯ БОЛЬШЕГРУЗНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

 

Современные требования экономической целесообразности обуславли­вают необходимость применения при международных и междугородных пере­возках больше­грузных автотранспортных средств. Ограничения на их проезд или взима­ние платы за сверхнормативный вес снижают транзитную привлека­тельность территории республики. В настоящее время главной проблемой ав­томобильных дорог остается их неудовлетворительное эксплуатационное со­стояние [1]. Географические особенности Казахстана на его об­ширной террито­рии, отсутствие выхода к внешним морским путям, неравномерное размещение населенных пунктов и природных ресурсов делают эконо­мику республики одной из наиболее грузоемких в мире, обуславливая высокую зависи­мость от транспорт­ной системы. Все это оказывает значительное влияние на кон­ку­рен-тоспособность товаров, которые производятся в Казахстане, так как в стоимо­сти товаров присутствует очень большая транспортная составляющая. Как показывает статистика последних лет доля транспортных затрат в конечной стоимости продукции находится на уровне 8…11% для внутренних автомо­бильных перевозок, тогда как в странах с развитой рыночной экономикой дан­ный показатель составляет всего 4…4,5%. По показателю грузоемкости эко­номика Казахстана почти что в пять раз менее эффективна, так как на каж­дую единицу ВВП в долларовом исчислении приходится не менее 9 т-км транспортной ра­боты, в странах ЕС грузоемкость - менее 1 т-км/долл. ВВП.

Вместе с тем, несмотря на общую адаптацию транспорта к рыночным ус­ловиям, состояние и уровень качества транспортной системы во всех ее всех компонентах нельзя считать оптимальным [2].

Исключительное значение сеть автомобильных дорог приобретает для Восточно-Казахстанской области (ВКО) со слабо развитыми железнодорож­ны-ми перевозками. Первостепенным народнохозяйственным значением ав­то­мо-бильных дорог ВКО является обеспечение регулярного автомобильного со­об-щения между Республикой Казахстан, Республикой Алтай, сибирским регио­ном России, Монголией, Китайской Народной Республикой. Протяжен­ность сети автомобильных дорог республиканского значения, включая меж­дународ­ные коридоры на территории ВКО, составляет 4371 км. Автомобиль­ная дорога, которая соединяет Россию и Китай, проходит по территории ВКО через так на­зываемую Зайсанскую низменность (котловину). Для этого региона характер­ным являются низкие температуры в зимний период и высокие температуры в летний период. В весенний период наблюдаются обширные подтопления зна­чительных территорий.

Дорожные коммуникации находятся в непосредственной близости от озера Зайсан, уровень воды в котором подвержен значительным сезонным ко­лебаниям. Озеро Зайсан  расположено на востоке Казахстана в открытой высо­кой и плоской долине между горными хребтами: с северо-востока Ал­тайским хребтом, с северо-запада Колбинским хребтом и с юга Тарбагатайским хребтом. Граница КНР проходит на расстоянии 60 км от восточного берега озера, с китайской сто­роны течет и впа­дает в озеро Зайсан река Черный Иртыш. Озеро Зайсан на­ходится на высоте 420 м, его длина составляет 105 км, а ширина – 22…48 км, максимальная глу­бина – 15 м. Озеро покрывается льдом в ноябре и вскрыва­ется в конце апреля. Дно озера Зайсана иловато, местами песчано и покрыто мелкой галькой. Берега озера низкие, заросшие на большом пространстве от воды камышом. До соору­жения Бухтарминской ГЭС на реке Иртыш площадь озера составляла 1800 км², длина – 111 км, ширина около 30 км, глубина в среднем 4…6 м (наибольшая глубина около 10 м). После сооружения пло­тины озеро Зайсан находится в подпоре, который распространился также и по Черному Иртышу на 100 км, уровень озера Зайсан поднялся на 7 м. Площадь зеркала озера составляет большую часть площади водного зеркала Бухтар­минс-кого водохранилища, равной 5,5 тыс. км².

В связи с этим гидрологический фактор в проектировании автомобильных дорог в дан­ном районе приобретает исключительное значение, так как он определяет, в том числе, прочность и водоустойчивость грунта и дорожного по-лотна, при­чем под водоустойчивостью в данном случае следует понимать сопротивле­ние грунта прониканию в него воды или размыванию его водой. Можно также определить водоустойчивость как свойство грунта сохранять проч­ность при колебании влажности в значительных пределах. Таким свойством обладают, как известно, пески и вообще крупнозернистые грунты.

Устойчивость грунта в полотне необходимо рассматривать в обста­новке водно-теплового режима данного района. Один и тот же грунт в разных районах и участках автомобильной дороги будет обладать разной устойчивостью. Поэтому при проек­тировании и возведении дорожного полотна общее принципиаль­ное решение, установленное для типовых условий данной трассы, необхо­димо изменять в порядке рабочего проектирования для отдельных участков в зависимости от изменяющихся свойств грунта и других условий, что предъ­являет требование  районирования ландшафта, а вместе с ним и геофизиче­ских факторов проекти­рования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Это дает возможность разра­ботки принципов, методов и конструкций дорожного строительства примени­тельно к различным геофизическим районам.

Обеспечение устойчивости дорожных сооружений (дорожных покры­тий и земляного полотна) зависит от весьма сложного многофакторного взаимо­действия грунтов полотна с водой при разных температурах. Поэтому вод­но-те­пловой режим местности является основной предпосылкой для дорожно-кли­матического районирования и его исследование и является обязательным усло­вием в проектировании и строительстве автомобильной дороги. Для такого ра-йонирова­ния ис­пользуются данные климатологии, гидрологии, геоморфологии, геоло­гии и грунтоведения.

Проведенные литературные исследования и эксперименты в условиях Руд­ного Алтая подтверждают предположение о сильной изменчивости гид­ро­логических и погодных условий в зонах пролегания дорог по всей терри­тории Рудного Алтая и Калбы.

Важное значение в методике проектирования дорог в «призайсанском» рай­оне приобретает статистический фактор. Применяемые в расчетах устой­чи­вости показатели физико-механических свойств пород в общем случае яв­ля­ются оценками их математических ожиданий. В связи с этим уместно по­ставить вопрос о допустимой вариации расчетных показателей физико-механических свойств пород при их испытании и влиянии неточности определе­ния этих пока­зателей на результаты расчетов устойчивости откосов.

Поэтому существующие рекомендации для проектирования дорог в ука­зан­ных зонах не отвечают требованиям и как показали результаты иссле­дова­ний необходимо провести дополнительное изучение с целью выявления стати­стических свойств гидрогеологических условий и физико-механических пока­зателей  материалов на примере определенного участка дороги этого района. На основании полученных статистических материалов необходимо ис­следовать влияние вариаций расчетных показателей проектирования на ка­чество дороги  и  предложить рекомендации по проектированию дорог на кон­кретном участке.

Рассматриваемые нами участки автомобильных дорог находятся в особенно сложных гидрогеологических условиях и довольно часто подвергаются капитальному ремонту. При этом в течение всего года эти автомобильные дороги являются важными транс­портными артериями, по которым осуществля-ется большой грузообо­рот. Вдоль таких дорог на время капитального ремонта бывает трудно уст­раивать объезд­ные пути, что ведет к экономическим потерям при перевозках грузов автомобильным транспортом.

Первым этапом исследований ставились задачи изучения геологии ме­ст­ности и типов грунтов, включая их физико-механические характеристики, ме­сторождения строительных материалов и водных режимов в зонах проле­гания исследуемых участков дорог.

Вопрос о вариации показателей физико-механических свойств пород ре­шался экспериментально. Для этого было произведено испытание 157 об­разцов 10 типов горных пород, по результатам которых с применением мето­дики ВНИМИ были построены их паспорта прочности. В соответствии с ре­коменда­циями методики испытания образцов производились при следующих отноше­ниях их высоты к диаметру 2,0; 1,5; 1,0; 0,5 и 0,3. Исследования про­водились на примере сети автомобильных дорог ВКО, особенно ее части, пролегающей к зонам водохранилищ, озер и горных массивов. При этом нами также использовались данные Восточно-Казахстанского филиала РГКП «Каздо­рпроект» и ДГП «ВНИИцветмет».

Для каждого района должна быть разработана схема типового (расчет­но-го) водно-теплового режима на основе учета источников увлажнения, годо­вого хода температур и водного баланса грунтов полотна в условиях средне­макси-мального по увлажнению года и метода проектирования устойчивости  автомобильных дорог.

В качестве метода проектирования устойчивости автомобильных дорог нами был выбран метод Феллениуса [3, 4], который наиболее полно учитывает при проектировании автомобильных дорог влияние гидрогеологических факторов в ком­плексе с физико-механическими свойствами строительных материалов.

Для проведения расчета устойчивости данный метод предполагает раз­биение откоса дорожного полотна на отсеки. Расчеты устойчивости откоса в этих случаях выполняют с учетом сил взвешивания для подтопляемой части грунтового массива. При этом учитывают, что на каждый i-й отсек дейст­вуют:

удерживающая сила

,                             (1)  

                                                              

сдвигающая сила

                                          (2)                          

 

где Gij – вес j-ой призмы грунта в пределах i-го отсека с учетом временной на­грузки, заменяемой эквивалентным слоем грунта;

 ai  – угол наклона поверхности скольжения в пределах i-го отсека;

 j  – угол внутреннего трения грунта на поверхности скольжения;

 С  – сцепление грунта на поверхности скольжения;

 Li  – длина дуги скольжения в пределах i-го отсека.

Рассматривая насыпь единичной длины, тогда вес j-й призмы i-го от­сека можно вычислить:

для сухой части насыпи

                                           (3)

для водонасыщенной части насыпи

 

                                        (4)                                                                                 

где – площадь j-ой призмы i-го отсека;

 – объемный вес грунта j-го геологического слоя;

 – пористость грунта j-го геологического слоя.

Гидродинамическое давление для подтопляемой части насыпей:

 

                                                       (5)

 

где    – площадь массива обрушения ниже уровня грунтовых вод;

   – (объемный вес воды);

   J  – гидравлический градиент, принимаемый равным тангенсу хорды,

       стягивающей кривую депрессии.

Коэффициент устойчивости земляного полотна в общем случае можно  оп­ределить по следующей формуле

 

 .                               (6)

                                                                                    

При этом детальный расчет устойчивости откосов земляного полотна необхо­димо выполнять в следующей последовательности:

определяют уравнение прямой Феллениуса, вблизи которой располага­ются центры наиболее опасных кривых скольжения;

исследуемый массив земляного полотна делят на n вертикальных отсе­ков шириной DXi  каждый (обычно n=10…20) и на m слоев в соответствии с положе­нием границ раздела геологических напластований и кривой депрес­сии (в слу­чае подтопляемой насыпи);

задаются в первом приближении положением центра кривой скольже­ния на пересечении ординаты, восстановленной из подошвы откоса с прямой Фел­лениуса. Радиус кривой скольжения определяется значением ординаты полу­ченного центра;

по формуле (6) находят значение коэффициента устойчивости Кp;

с шагом DХ меняют положение центра влево по прямой Феллениуса и при новом положении центра кривой скольжения вычисляют значение коэф­фици­ента устойчивости Кp;

если Кp<Кн, то с шагом DХ ищут на прямой Феллениуса положение цен­тра кривой скольжения с минимальным значением коэффициента устой­чиво­сти;

если Кp>Кн, то меняют положение центра скольжения с шагом DХ вправо до тех пор, пока не будет установлено положение центра кривой скольжения, но уже по нормали к прямой Феллениуса в найденной ранее точке влево с ша­гом Dy, и по формуле (6) вычисляют значение коэффициента устойчивости Кp;

если Кp<Кн, то с шагом Dy влево ищут положение центра кривой с мини­мальным Кp. Если же Кp>Кн, то с шагом Dy ищут положение наиболее опасного центра вправо от прямой Феллениуса;

найденное таким образом минимальное значение коэффициента устой­чи­вости является расчетным для данного откоса земляного полотна Кp. Его срав­нивают с нормативным значением Кp ≥Кн и, если оказывается, что Кp ≥Кн, то ус­тойчи­вость земляного полотна обеспечена. Если Кp<Кн, то необходимо изме­нить кон­струкцию земляного полотна с целью повышения устойчивости от­коса (уполо­жить откос, предусмотреть устройство берм и т.д.) и вновь выше изложенным способом выполнить проверку устойчивости новой конструк­ции.

 

Литература

 

1 Бекмагамбетов М.М. Проблемы развития автомобильного и город­ского транспорта Республики Казахстан. – Алматы: Изд-во «Print-S», 2009. – 520 с.

2 Транспортная стратегия Республики Казахстан до 2015 года/ Утвер­ждена указом Президента Республики Казахстан № 86 от 11 апреля 2006 г.

3 Автомобильные дороги: Примеры проектирования. Учеб. пособие для вузов/под ред. В.С. Порожнякова. – М.: Транспорт, 1983. – 303 с.

4 Изыскания и проектирование автомобильных дорог: Справ. инже­нера-дорожника/ под ред. О.В. Андреева. – М.: Транспорт, 1989. – 559с.