Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. цель, задачи и структурная схема исследования .
1.1 Особенности проектирования автомобильных дорог, связанные с влиянием сложных геокриологических условий
1.2 Современные подходы к моделированию конструктивных решений земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах
1.3 Анализ методов организационно-технологического моделирования при строительстве земляного полотна в условиях криолитозоны
1.4 Цель, задачи и структура исследования 36
Глава 2. Системный подход к инженерному районированию трассы автомобильной дороги
2.1 Общие принципы и цели линейного дорожного районирования в результатам изысканий в сложных геокриологических условиях криолитозоны условиях .
2.2 Концептуальная модель и параметры многоуровневого инженерного районирования трассы дороги
2.3 Показатели для оценки классификационных признаков линейного дорожного районирования
2.4 Математическое моделирование и алгоритмы классификации линейных дорожных комплексов .
2.5 Реализация моделей линейного районирования и оценка их адекватности в условиях ММГ
2.6 Выводы к главе 2 91
Глава 3. Моделирование конструкций земляного полотна на участках линейных дорожных комплексов
3.1 Принципы формирования рациональных конструктивных решений земляного полотна на ММГ с использованием баз данных
3.2 Автоматизация расчетов конструкций земляного полотна на участках ЛДК
3.3 Привязка конструктивных решений к участкам ЛДК
3.4 Влияние линейного дорожного районирования на качество и надежность конструктивных решений земляного полотна .
3.5 Выводы к главе 3 126
Глава 4. Особенности проектирования и эффективность организации строительства земляного полотна проектно-технологических модулях 128
4.1 Структура и взаимосвязь проектно-технологических модулей земляного полотна, модулей ресурсного и фронтального обеспечения строительства
4.2 Моделирование параметрами отрядов при строительстве земляного полотна на участках проектно-технологических модулей
4.3 Имитационная модель проектирования организации строительства дорог на многолетнемерзлых грунтах
4.4 Оценка экономической эффективности проектных решений земляного полотна на ММГ с учетом прогнозирования состояния дорожной конструкции .
4.5 Выводы к главе 4 157
Заключение 158
Список литературы .
- Современные подходы к моделированию конструктивных решений земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах
- Концептуальная модель и параметры многоуровневого инженерного районирования трассы дороги
- Автоматизация расчетов конструкций земляного полотна на участках ЛДК
- Моделирование параметрами отрядов при строительстве земляного полотна на участках проектно-технологических модулей
Современные подходы к моделированию конструктивных решений земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах
На стадии формирования технического задания на проектирование используются данные предварительных инженерных изысканий. На стадии проектирования требуется дополнение и систематизация информации для разработки конструкций земляного полотна по уточненным инженерным изысканиям. На предпроектной стадии решаются задачи, которые могут предотвратить возможные риски на последующих стадиях проектирования и строительства дороги.
По мнению С.М. Ждановой [57] традиционная схема проектирования может успешно применяться при проектировании геотехнических систем «земляное полотно – основание» в обычных условиях, но имеет принципиальные недостатки при проектировании этой системы в условиях вечной мерзлоты. В то же время, по ее мнению [57], «методология проектирования может быть усовершенствована с помощью функционально-системного принципа, который предусматривает комплексный анализ всех элементов существующей системы проектирования земляного полотна и дополнение элементами и методиками, позволяющими осуществлять качественный и количественный контроль проектных решений». Прежде всего, сложные условия проектирования и строительства дорог в условиях многолетнемерзлых грунтов требуют более глубокой проработки исходной информации по результатам инженерных изысканий. Порядок проведения и состав инженерных изысканий в этих условиях определяются рядом нормативных документов [63, 115, 116].
В резолюции научно-практической конференции «Особенности строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог в сложных природно-климатических условиях. Инновационные решения, материалы и технологии» (Якутия, 2012г.) [108] отмечается «С учетом изменившихся условий эксплуатации автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты (связанных с деградацией вечной мерзлоты, вызванной общим потеплением климата), в том числе приводящих к деформациям основания и самих сооружений, рекомендовать Федеральному дорожному агентству рассмотреть возможность разработки Плана мероприятий по совершенствованию методов строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог в условиях вечной мерзлоты, с обеспечением его широкого обсуждения учеными и специалистами и его последующей реализацией в рамках Плана НИОКР Росавтодора.
В течение 2011-2014г.г. по плану НИР Российского дорожного агентства (Росавтодор) ООО «Сибирский инновационный дорожный центр (СибИНДОР)» выполнялась научно-исследовательская работа «Разработка ОДМ «Методические рекомендации по геокриологическому прогнозированию устойчивости дорожных сооружений при проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог» [107]. В работах [6,107] отмечается отсутствие нормативных документов, позволяющих проводить геокриологический прогноз. По данной причине на стадии проектирования земляного полотна могут быть приняты неправильные конструктивные решения. Необходимость глубокого анализа и оценки геокриологической ситуации на трассе автомобильно дороги в целом и на отдельных ее участках для выбора оптимальных в техническом и экономическом отношениях конструкций отмечает В.Г. Кондратьев в работе [73]. Его предложения по мониторингу мерзлотной обстановки на трассе направлены на периодическую оценку состояния дороги с разделением е на участки: «стабильные, потенциально опасные и деформирующиеся». На наш взгляд этот очень важный тезис предполагает качественно новый подход к анализу результатов инженерных изысканий, предусматривающий разделение дороги на участки с различными характеристиками природных условий.
Основные требования к проектированию и строительству автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты в РФ, изложены в СНиП 2.05.02-85 [117], раздел «Земляное полотно в сложных условиях» и ВСН 84-89 [63].
Как показывает зарубежный и отечественный опыт, проблему обеспечения качественного и экономичного строительства дорожных насыпей на мерзлоте невозможно решить без применения прогрессивных конструктивных и организационно-технологических решений.
В настоящее время проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты в РФ осуществляют, руководствуясь одним из трех принципов [121]: - первый - поднятие верхнего горизонта ММГ не ниже подошвы насыпи и сохранение его на этом уровне в течение всего периода эксплуатации дороги; - второй - допущение оттаивания грунта деятельного слоя в основании насыпи в период эксплуатации дороги при условии ограничения осадок допустимыми пределами для конкретного типа покрытия; - третий - обеспечение предварительного оттаивания вечномерзлых грунтов и осушения дорожной полосы до возведения земляного полотна.
Нормативными документами [63,121] определены основные условия применения этих принципов в первой дорожно-климатической зоне (I ДКЗ). В то же время СНиП определил, что «второй принцип проектирования следует применять в качестве основного из конкурирующих вариантов проектирования, оцениваемых по технико-экономическим показателям». Однако, при выборе конструктивных решений необходимо руководствоваться рядом критериев, оценивающих не только капитальные вложения, но и дисконтированные эксплуатационные затраты за период срока службы дорожной конструкции [86, 163]. То есть, важная роль при назначении конструкции отводится прогнозу ее устойчивости и надежности за период эксплуатации дороги.
Концептуальная модель и параметры многоуровневого инженерного районирования трассы дороги
Решающую роль при назначении конструктивных параметров земляного полотна автомобильной дороги играет полнота и достоверность информации, полученной в процессе инженерных изысканий автомобильной дороги в соответствие с нормативными документами [92,115,118], определяющими состав и порядок проведения изысканий для выполнения проектных работ.
Для изучения закономерностей взаимодействия различных сооружений с многолетнемерзлыми грунтами (ММГ) существует несколько направлений, основанных на традиционных инженерно-геологических, расчетно-теоретических и инженерно-физических методах исследования [101]. Инженерно-геологическое направление предоставляет информацию, отражающую текущее состояние геокриологических процессов на трассе дороги, и с этой точки зрения в большей степени отвечает потребностям районирования для разработки проектных решений. На основе этих исследований возможно с достаточной степенью достоверности выделить однородные участки с характерными природными условиями, что чрезвычайно важно при проектировании конструкций, организации строительства, а в дальнейшем при мониторинге состояния и эксплуатации дорог на многолетнемерзлых грунтах. По аналогии со схемой, приведенной в работе [3], представим геотехническую систему автомобильной дороги (ГТС-АД) как совокупность укрупненных элементов (Рисунок 2.3): ( ) +, ( 2.1) где ОЗП, ОДО, ОВ – соответственно объекты земляного полотна, дорожной одежды, водоотвода и т.д.
Каждый из этих элементов представлен в системе ГТС разными конструктивными решениями в зависимости от действия факторов внешней среды: окружающей среды (ОС), геологической среды (ГС), природной среды (ПС), ландшафтной среды (ЛС), динамической автомобильной нагрузки (ДАН). В свою очередь, принятые конструктивные решения элементов автомобильной дороги как технической системы, включая технические подсистемы дорожной одежды (ТПС-ДО) и земляного полотна (ТПС-ЗП), будут воздействовать, прежде всего, на элементы геологической и природной среды. Земляное полотно (ТПС-ЗП) в обобщенном виде может быть представлено в виде совокупности инженерных решений по продольному профилю дороги [37]: {ТПС-ЗП }= «Н, НМ, В, ПВ, ПН-ПВ, ПН», ( 2.2) где «и» - признак комплексного показателя, включающего элементы Н-насыпи, НМ-нулевые места, В-выемки, ПВ-полувыемки, ПН-ПВ-полувыемки – полунасыпи, ПН - полунасыпи. Детальные конструктивные решения по земляному полотну и дорожной одежде могут быть приняты только на основе изучения условий местности с привязкой к определенному линейно-дорожному комплексу (ЛДК), сформированному на основе ЛДР. К числу основных природных факторов, оказывающих непосредственное влияние на развитие инженерно геокриологических процессов, В.Г. Кондратьев [73] относят метеорологические, геоботанические, гидрологические, гидрогеологические и геокриологические группы факторов. В зависимости от целей районирования в ряде работ группировка исходных факторов отличается от приведенной выше. С.М. Жданова [57] характеризуя пассивные комплексы факторов, влияющих на состояние земляного полотна, делит их на три группы: генетические, природно-климатические и физико-климатические. Группировка факторов для целей инженерного районирования автомобильной дороги представлена на рисунке 2.4.
Рассматриваемая задача линейного дорожного районирования формулируется следующим образом: разделить совокупность единичных (элементных) участков дороги, заданных набором характеризующих их числовых значений соответствующих признаков на однородные группы. Группировка единичных участков по длине дороги соответствует иерархической процедуре разбиения наблюдений на классы. В физико-географическом районировании этот математический метод носит название таксонометрического анализа или таксонометрического метода [70,130].
При использовании данного подхода к районированию каждый элементный участок дороги рассматривается сначала как отдельный таксон, обладающий совокупностью определенных свойств, выражаемых качественными или количественными характеристиками.
Группировка факторов в системе «Автомобильная дорога-внешняя среда» Набором этих же признаков можно охарактеризовать участок дороги, предназначенный для реализации определенного конструктивного решения, обозначив его как Хijklmnpq. Совокупность участков с относительно однородными свойствами можно рассматривать как результат районирования, обозначив его как линейный дорожный комплекс (ЛДК), по аналогии с природным территориальным комплексом (ПТК), принятым в терминологии инженерного районирования. При моделировании геоинформационных систем (ГИС) используются два основных подхода к описанию пространства [70]: - подход, основанный на структурировании пространства, т.е. выделении пространственных объектов, указании характера их локализации в пространстве, границ и, в некоторых случаях, взаимосвязей с другими объектами; - подход, основанный на неструктурированном представлении пространства. В этом случае все изучаемое пространство, как правило, представляется множеством ячеек заданного размера и формы, в которых определены усредненные параметры или характеристики, соответствующие этой части пространства. Это могут быть характеристики, которые принимают любые значения из заданного интервала (температура, соленость, количество осадков).
С другой точки зрения авторы [56,80] отмечают наличие разных подходов и методов к районированию по совокупности признаков. Основными особенностями этих подходов является различие в учете признаков природных компонентов: одновременный учет всех признаков; последовательной введение (чередование признаков) на каждой ступени районирования. Исходя из этих представлений, задача линейного дорожного районирования формулируется нами следующим образом: 1. Выполнить структурирование пространства в районе проложения трассы дороги по природно-климатическим факторам с определением пространственных границ на основе одновременного учета совокупности признаков; 2. Выполнить районирование трассы дороги на основе неструктурированного представления пространства, т.е. представления трассы в виде отрезков установленной длины, на которых определены усредненные характеристики показателей, соответствующих этой части пространства (этим отрезкам трассы). При этом предусмотреть одновременный учет совокупности данных характеристик.
Автоматизация расчетов конструкций земляного полотна на участках ЛДК
В соответствие с ВСН 84-89 [63] под устойчивостью насыпи понимается такое состояние ее основания, при котором верхний горизонт вечномерзлых грунтов (ВГВМ) будет сохраняться в критический по балансу тепла год (не более 1 раза в 11 лет) на требуемой (допустимой) глубине с учетом принятых принципов проектирования.
В процессе расчета и конструирования земляного полотна с использованием ПЭВМ предусматривается регулирование параметрами дорожной насыпи: геометрическими размерами слоев, физико-механическими свойствами грунтов, применением дополнительных армирующих, теплоизолирующих и т.п. элементов в грунтовом массиве [138,154,163]. В разных северных регионах дорожные насыпи на ММГ представляют достаточно разнообразные и сложные конструкции с точки зрения количества и взаимодействия составляющих их элементов. С увеличением объемов строительства дорог в северных условиях возрастает потребность в совершенствовании методов и моделей для прогнозирования состояния дорог в жизненном цикле. Адекватные модели и программы расчетов создают условия для выбора эффективных и надежных конструкций. Автоматизация расчетов позволяет сократить затраты времени на проектирование конструкций земляного полотна и осуществлять обоснованный выбор из многих вариантов.
Расчеты конструкций земляного полотна на ММГ, как правило, выполняются с использованием различных программ для ПЭВМ [98,99,100,114] с применением, в основном, численных методов на базе нормативных документов и научно-исследовательских работ [63,66,87,91,107]. В эти расчеты применительно к автомобильным дорогам всегда включают не только конструкцию земляного полотна, но и конструкцию дорожной одежды (возможно ее варианты). При расчете учитывается, что приняты определенные схемы водоотведения или защиты дорожного сооружения от воздействия паводковых и дождевых вод.
При выполнении расчетов в порядке опытного проектирования на линейных дорожных комплексах в составе диссертационного исследования мы разработали алгоритмы и программы на основе численных методов для автоматизированных расчетов тепловой устойчивости земляного полотна. При этом теоретические обоснования к расчетам приведены в соответствующей литературе, а алгоритмы и программы, разработанные нами, соответствуют тем методам расчета, которые предлагают авторы. Данный подход не отменяет использования других программных продуктов и методик расчета тепловой устойчивости основания земляного полотна при проектировании конструкций земляного полотна на ММГ с учетом линейного дорожного районирования.
Автоматизированный расчет по ВСН 84-89 [63] реализован в программе «Excel» для двух принципов проектирования на ММГ и направлены на регулирование высоты насыпи при расчете по слоям конструкции. При проектировании насыпи по первому принципу осадка в процессе эксплуатации не допускается. Высота насыпи рассчитывается по формуле: Н = Нк, ( 3.2) где Н- высота насыпи, м; Нк- глубина сезонного оттаивания дорожной конструкции (земляное полотно + дорожная одежда, м) При проектировании насыпи по второму принципу высоту насыпи рассчитывают по формуле: где Hдс - мощность деятельного (сезоннооттаивающего) слоя, устанавливаемая по данным
изысканий или расчетом по формулам (3.4)-(3.8), при естественной влажности грунта, м; e-относительная осадка грунта основания после его оттаивания под нагрузкой, доли единицы; Sc строительная осадка, зависящая от сезона производства земляных работ, м (определяется согласно обязательному приложению 7 ВСН 84-89 [63]); Sдоп– допустимая осадка, м (для асфальтобетонного покрытия – 0,04м); Hk - глубина сезонного оттаивания дорожной конструкции (земляное полотно + дорожная одежда, м). Блок-схема соответствующего алгоритма расчета приведена на рисунке 3.2. Расчет по ВСН 84-89 выполняется в следующей последовательности:
Первый этап (см. номера блоков на рис.3.2). Расчет глубины сезонного промерзания и оттаивания грунтов основания насыпи, а также грунтов, из которых планируется возведение слоев земляного полотна производится по методике, описанной в СНиП 2.02.04-88 (СП 25.13330.2012) [116]. приведены параметры необходимые для расчетов этих показателей, их размерности и обозначения.
При отсутствии натурных наблюдений используют информационные базы данных в виде физических и теплотехнических характеристик различных видов грунтов, в т.ч. теплопроводность и объемная теплоемкость грунтов в мерзлом и талом состоянии [113].
Второй этап Расчет глубины оттаивания конструкции, включающей в себя земляное полотно и дорожную одежду, производится методом эквивалентных слоев. Если конструкция представляется в виде двухслойной схемы, глубина сезонного промерзания определяется методом эквивалентных слоев по формуле (3.4). В случае, если конструкция представлена в виде трехслойной схемы, расчет ведется по формуле (3.5).
Моделирование параметрами отрядов при строительстве земляного полотна на участках проектно-технологических модулей
Кроме планирования современное программное обеспечение позволяет решать многие задачи управления ресурсами и сроками: корректировать графики при отклонении от плана, выравнивать потребности ресурсов, учитывать риски при выполнении проекта, вести бюджетирование проекта и многие другие. Однако многие технологические параметры в приведенных моделях (например, организационные и технологические перерывы) не могут быть заданы как исходные данные без дополнительных расчетов с применением специальных организационно-технологических моделей. Кроме того данные модели не в полной мере приспособлены к решению задач календарного планирования в линейном транспортном строительстве. Приведенный в работе [127] порядок моделирования сетевых графиков в природно-технологических системах, учитывает ряд особенностей, связанных со строительством земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах (ММГ), но оставляет нерешенными вопросы расчета некоторых параметров самих графиков. Сетевые модели не в полной мере приспособлены к решению задач календарного планирования в линейном транспортном строительстве, так как в качестве основной характеристики работ принята их продолжительность. В то же время для определения сроков производства работ на проектно-технологических модулях, оценки величины фронтальных связей между процессами необходимы дополнительные расчеты с использованием специальных организационно-технологических моделей. В работах [17,28,94] дано обоснование перехода от моделей «временного типа», в которых рассматривается степень совмещения работ во времени, к моделям «объемного типа», в которых увязка работ осуществляется по степени совмещения по фронту работ, применительно к строительству линейно-протяженных объектов.
Из известных имитационных моделей наиболее соответствует требованиям линейного транспортного строительства в сложных условиях организационно-технологическая модель, представленная в работах [17,132,133], так как именно в ней учитываются следующие факторы:
- неравномерность распределения объемов работ по длине дороги; - разные конструктивные решения элементов земляного полотна на отдельных участках, связанные с изменением природных геокомплексов; - изменение сменной производительности отрядов по длине дороги под действием климатических, технологических и организационных факторов; - изменение технологии при производстве работ в разные сезоны года (летний, зимний); - степень готовности слоев земляного полотна для выполнения следующих технологических операций.
В то же время данная модель не в полной мере удовлетворяет особенностям работы отрядов при возведении земляного полотна на ММГ. Требуется определенная модернизация модели для учета следующих факторов: - декомпозиция объекта на проектно-технологические модули - изменение интервала планирования от декадного к суточному для более детального учета динамики производства работ; - учет особенностей производства работ поточно-участковым методом разными специализированными отрядами при параллельном производстве работ на проектно-технологических модулях; - возможность задания разных сроков начала работ специализированным отрядам на проектно-технологических модулях; - разработка современного программного обеспечения расчетов с использованием модели.
Нами выполнена корректировка модели с расширением функций для расчета графиков при параллельно-поточной организации работ, предполагающей декомпозицию линейно-протяженного объекта на проектно-технологические модули. При этом возможно задание разных сроков работы специализированных отрядов на ПТМ с учетом наиболее благоприятных условий для производства работ по определенной технологии.
Работу специализированных отрядов при сооружении земляного полотна должны обеспечивать вспомогательные подсистемы, деятельность которых должна быть синхронизирована во времени с основными работами или минимально опережать их. Связи между работами определяются следующими условиями: , -- множество работ s+ , непосредственно выполняемых после работы s; , -- множество работ s- , непосредственно выполняемых перед работой s; , -- множество подготовительных работ q- , предшествующих , -. В разработанной математической модели организации работ на участках ПТМ условия взаимодействия технологических процессов по временным параметрам формализованы и представлены в виде следующих зависимостей
Проектирование организации строительства других структурных модулей автомобильной дороги (искусственных сооружений, слоев дорожной одежды, обустройства) выполняется также с использованием деления на проектно-технологические модули. При однотипной конструкции слоев дорожной одежды на небольших участках дороги каждый конструктивный слой может рассматриваться как один проектно-технологический модуль. Работы на конструктивных элементах, предшествующих строительству земляного полотна (участки сосредоточенных работ, искусственные сооружения и т.д.), как правило, должны быть завершены к подходу линейных специализированных отрядов.
Перечень подготовительных и вспомогательных работ уточняется в конкретном проекте с детальным расчетом объемов работ. На рисунке 4.9 приведен фрагмент укрупненного сетевого графика строительства земляного полотна на участке автомобильной дороге «Лена» в условиях высокотемпературной мерзлоты, рассчитанного с применением программных комплексов «POTOK+» и «Project Professional 2010».