Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Ефименко Сергей Владимирович

Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог
<
Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог
>

Диссертация - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Ефименко Сергей Владимирович. Развитие теоретических положений учёта особенностей признаков геокомплекса при формировании региональных норм проектирования автомобильных дорог: диссертация ... доктора Технических наук: 05.23.11 / Ефименко Сергей Владимирович;[Место защиты: Сибирский государственный университет путей сообщения], 2016

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.

  1. 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.

  2. 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.

  3. 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.

  4. 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.

  5. 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:

  1. Результаты мониторинга сети автомобильных дорог в административных образованиях Западно-Сибирского региона, полевых и лабораторных испытаний состава и свойств глинистых грунтов земляного полотна.

  2. 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.

  3. 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.

  4. Разработанная схема дорожно-климатического районирования территории Западной Сибири.

  5. 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.

  1. Нормированные значения влажности, сдвиговых характеристик и модулей упругости глинистых грунтов, необходимые для проектирования дорожных одежд в природно-климатических условиях Западной Сибири.

  2. 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.