Т.В

. Бо

бр

ов

а, Е

.А. Б

ед

ри

н, А

.А. Д

уб

ен

ко

в

МО

ДЕ

ЛИ

РО

ВА

НИ

Е П

РО

ЕК

ТН

ЫХ

РЕ

ШЕ

НИ

Й

ЗЕ

МЛ

ЯН

ОГ

О П

ОЛ

ОТ

НА

В У

СЛ

ОВ

ИЯ

Х К

РИ

ОЛ

ИТ

ОЗ

ОН

Ы

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)»

Кафедра «Экономика и проектное управление в транспортном строительстве»

Т.В. Боброва, Е.А. Бедрин, А.А. Дубенков

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ

ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ

Монография

Омск СибАДИ

2016

2

УДК [625.731+ 625.12] : 519.24 ББК 3.38 Б72

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. В.С. Боровик (ФГБОУ ВО «Волгоградский

государственный архитектурно-строительный университет»); д-р техн. наук, проф. В.В. Сиротюк (ФГБОУ ВО «СибАДИ»)

Монография утверждена редакционно-издательским советом СибАДИ.

Боброва, Татьяна Викторовна. Б72 Моделирование проектных решений земляного полотна в условиях криоли-тозоны : монография / Т.В. Боброва, Е.А. Бедрин, А.А. Дубенков. – Омск : СибАДИ, 2016. − 164 с. ISBN 978-5-93204-886-3.

Изложены основные положения сквозного структурно-модульного проектиро-вания земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах, связанные с комплексом моделей линейного районирования, моделированием взаимосвязанных конструктив-ных и организационно-технологических решений. Предложен новый подход к ли-нейному районированию трассы дороги, основанный на последовательном поэтапном анализе зональных, интразональных и региональных факторов для формирования участков, относительно однородных по комплексу природных условий (линейных до-рожных комплексов). Раскрыты особенности вариантного проектирования конст-рукций земляного полотна на основе аналогов и прототипов, позволяющие влиять на устойчивость основания и изменять процессы теплообмена за счет конструктивных решений. Изучены и разработаны модели формирования и закрепления конструк-тивных решений на линейных дорожных комплексах в зависимости от расположения карьеров, характеристики и доступности материалов конструктивных слоев по крите-рию минимальных приведенных затрат в жизненном цикле конструкции.

Предназначена для студентов всех форм обучения направления «Строительст-во», а также специальности «Строительство уникальных зданий и сооружений». Мо-жет быть полезна практикам, осуществляющим проектирование транспортных маги-стралей в условиях криолитозоны.

УДК [625.731+ 625.12] : 519.24 ББК 3.38

ISBN 978-5-93204-886-3 ФГБОУ ВО «СибАДИ», 2016

3

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время предусматривается реализация ряда крупных про-ектов транспортного строительства в северных регионах России, в т.ч. в рамках государственной программы «Социально-экономическое развитие Арктической зоны РФ на период до 2020 года». Сложные природно-климатические условия северных территорий требуют разработки специ-альных инженерных мероприятий, тщательного анализа принимаемых решений в процессе проектирования, строительства и эксплуатации объ-ектов.

Обследование существующих дорог в зоне многолетнемерзлых грун-тов показывает, что значительная часть из них имеет многолетние зату-хающие, а затем вновь продолжающиеся неравномерные осадки, что при-водит к ухудшению условий движения автомобильного транспорта. Од-ной из существенных причин снижения транспортно-эксплуатационных качеств дорог являются повреждения земляного полотна из-за недоста-точного учета изменчивости геокриологических условий по длине дороги.

В резолюции научно-практической конференции (Якутия, 2012 г.) от-мечается необходимость «более глубокой аналитической проработки ис-ходной информации по результатам инженерных изысканий для деталь-ного учета инженерно-геологических условий при проектировании до-рожных объектов» на многолетнемерзлых грунтах (ММГ). Предупрежде-ние недопустимых деформаций оснований земляного полотна должно ба-зироваться на данных комплексного анализа изменчивости инженерно-геологических и мерзлотно-грунтовых условий района строительства. Применение результатов этого анализа для проектирования устойчивых конструкций земляного полотна, разработки эффективных организацион-но-технологических решений в составе проектов организации строитель-ства связано с новыми научными разработками, основанными на струк-турно-модульном проектировании, обеспечивающем учет взаимовлияния природных территориальных комплексов и инженерных решений в про-цессе проектирования, строительства и эксплуатации дорог.

В соответствии с нормативным документом СП 34 13330-2012 земля-ное полотно проектируют на основе теплотехнических расчетов, исходя из направленного регулирования уровня залегания верхнего горизонта ММГ в основании насыпи в период эксплуатации дороги, руководствуясь одним из трех принципов проектирования. Проведенный анализ исследо-ваний, связанных с особенностями моделирования проектных решений земляного полотна автомобильных дорог в условиях криолитозоны, отра-зил необходимость комплексного подхода к отдельным этапам в системе

4

проектирования земляного полотна, позволяющего последовательно осу-ществлять моделирование и анализ проектных решений.

Основываясь на работах И.А. Золотаря, В.А. Семенова, Ю.М. Яковле-ва о влиянии статистической однородности расчетных параметров соору-жения на качество проектных решений, можно сделать вывод о зависимо-сти вероятностных характеристик земляного полотна на ММГ от одно-родности факторов, которые используются при расчете конструкций на-сыпи. Под однородностью факторов понимается степень неизменности показателей природной среды, физико-механических свойств грунтов, геометрических размеров, параметров технологических процессов, усло-вий эксплуатации и производства работ.

Исходя из вышеназванных предпосылок, выделение участков по дли-не дороги с более однородными характеристиками природных факторов окажет влияние на повышение качества проектных решений земляного полотна на этих участках.

Учитывая изменчивость и определенную повторяемость природных геокомплексов по длине дороги, целесообразно использовать структурно-модульный подход к проектным решениям земляного полотна автомо-бильной дороги, известный в теории проектирования и строительства промышленно-гражданских объектов.

Качество автомобильной дороги как системы обеспечивают в ком-плексе все структурные элементы дорожной конструкции, в том числе земляное полотно, дорожная одежда, водоотводные и искусственные со-оружения на дороге и т.д. В данной работе земляное полотно рассмат-ривается как отдельный базовый структурный модуль автомобильной до-роги, однако, в определенных ситуациях (расчет конструкций, проектиро-вание организации строительства) анализируются и учитываются его свя-зи с другими элементами системы. Дальнейшая декомпозиция земляного полотна на пространственные модули связана с однотипностью конструк-тивных и организационно-технологических решений на отдельных участ-ках дороги, имеющих сравнительно одинаковые характеристики природ-ных условий. Обоснование разделения земляного полотна в условиях ММГ на проектно-технологические модули с учетом линейного дорожно-го районирования (ЛДР) недостаточно проработано для применения в практике проектирования автомобильных дорог.

5

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В СЛОЖНЫХ

ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

1.1. Система организации проектирования дорожных объектов в России

Север играет важную роль в жизни нашей страны. Промышленное ос-

воение новых районов немыслимо без развитой сети автомобильных до-рог. Опыт строительства железных и автомобильных дорог в Восточной Сибири (Транссиб, БАМ, «Амур», «Лена» и др.), на севере Западной Си-бири, Европейском Севере показывает, что основной научно-технической проблемой строительства и эксплуатации дорог в этих регионах является обеспечение устойчивости земляного полотна и искусственных сооруже-ний в условиях вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания грунтов. Последние десятилетия в отечественной практике проектирова-ния существует тенденция расширения круга вопросов, охватываемых проектом. В 50 − 60-е годы прошлого века проектировщики часто ограни-чивались разработкой генерального плана, технологической, архитектур-но-строительной частей и инженерного оборудования. В конце 60-х годов сметы стали обязательным элементом работ, а несколько позже обяза-тельным стал проект организации строительства. В настоящее время, кро-ме названных разрабатываются также разделы: экологический, проекти-рование организации демонтажных работ, мероприятия по пожарной безопасности, мероприятия по гражданской обороне и предупреждению чрезвычайных ситуаций, а также иные – по требованию заказчика [15].

Градостроительным кодексом РФ установлены нормы, регулирующие инвестиционный строительный процесс, начиная от инженерных изыска-ний для подготовки проектной документации и заканчивая выдачей раз-решения на ввод объекта в эксплуатацию [38]. Процесс проектирования включает прединвестиционный этап, предпроектный этап и две стадии проектирования: проектной и рабочей документации.

Общая система организации проектных работ в России в основном соответствует зарубежному опыту, отличаясь от принятых в ряде стран систем стадийностью проектных работ. К примеру, в Великобритании вы-деляют 4 стадии, разделенных на 11 этапов; в США процесс проектирова-ния состоит из 7 стадий, включая «авторский надзор» [125].

Проектно-изыскательские работы по затратам и трудоемкости зани-мают до 20 % в инвестиционном цикле автомобильной дороги [3], являясь в то же время основным средством обеспечения надежности и экономич-ности строительно-монтажных работ. Общая структурная схема предпро-

6

ектной работы на уровне Заказчика, представленная в работе [19] в виде обобщенного графа взаимосвязи документов, выявляет роль инженерных изысканий на этих этапах. Логико-информационная модель, отражающая последовательность разработки технического задания на проектирование автомобильной дороги, изображена на рис. 1.1 [15].

Декларация о намерении строительства автомобильной дороги

Исходные данные о назначении объекта, его предполагаемом месте нахождения; общие параметры

Предварительные варианты прохождения трассы. Сравнение вариантов, выбор предпочтительных

Предварительные инженерные изыскания

Сравнение вариантов на основе инженерных изысканий, выполненных расчетов объемов и стоимости

Выбор варианта прохождения трассы

Разработка основных проектных решений

Формирование технического задания на проектирование

Конкурсный отбор проектной организации

Сведения о правовом статусе земель,

входящих в возможную зону

влияния строительства

объекта

Сведения об окружающих

природных условиях (характер рельефа

местности, гидрологический

режим и т.п.)

Сведения об имеющейся инженерной

инфраструктуре, капитальных строениях на

местности

Рис. 1.1. Модель принятия решений при формировании технического задания на проектирование [15]

Алгоритм этапа проектных работ на основе разработанного техниче-

ского задания для неосложненных условий по элементам строящегося объекта можно представить в виде схемы (рис. 1.2).

7

Этапы

Получение исходных данных на основе технического задания

Анализ существующих проектных решений

Выбор и обоснование конкурентноспособных вариантов проектных решений на основе детальных инженерных изысканий

Технико-экономическое сравнение вариантов

Выбор окончательного проектного решения

Разработка проекта по этапам: технический проект (ТП), рабочие чертежи (РЧ), проект организации строительства (ПОС), сводный

сметно-финансовый расчет (СФР)

2

3

4

5

6

1

Рис. 1.2. Структурная схема проектных работ

В Рекомендациях [110] определен состав и порядок разработки разде-

лов проектной документации для строительства, реконструкции автомо-бильных дорог и искусственных сооружений, имеющих определенную специфику как линейно-протяженные объекты.

Основой для разработки проектных решений служат инженерные изыскания, проводимые в порядке, определяемом СНиПом 11-02-96 (ак-туал. редакция 2012 г.) [119] и СП 11-105-97 [116]. Основные виды инже-нерных изысканий (инженерно-геодезические, инженерно-геологические, инженерно-геотехнические, инженерно-гидрометеорологические и инже-нерно-экологические) выполняются раздельно или в комплексе [119].

В соответствии с [87, 110, 155] материалы комплексных инженерных изысканий должны рассматриваться как информационная база для приня-тия обоснованных и экономичных проектных решений в составе проект-ной документации на строительство дороги.

На стадии формирования технического задания на проектирование используются данные предварительных инженерных изысканий. На ста-дии проектирования требуется дополнение и систематизация информации для разработки конструкций земляного полотна по уточненным инженер-ным изысканиям. На предпроектной стадии решаются задачи, которые

8

могут предотвратить возможные риски на последующих стадиях проекти-рования и строительства дороги.

По мнению С.М. Ждановой [60], традиционная схема проектирования может успешно применяться при проектировании геотехнических систем «земляное полотно – основание» в обычных условиях, но имеет принци-пиальные недостатки при проектировании этой системы в условиях веч-ной мерзлоты. В то же время, по ее мнению [60], «методология проекти-рования может быть усовершенствована с помощью функционально-системного принципа, который предусматривает комплексный анализ всех элементов существующей системы проектирования земляного по-лотна и дополнение элементами и методиками, позволяющими осуществ-лять качественный и количественный контроль проектных решений».

Прежде всего, сложные условия проектирования и строительства до-рог в условиях многолетнемерзлых грунтов требуют более глубокой про-работки исходной информации по результатам инженерных изысканий. Порядок проведения и состав инженерных изысканий в этих условиях оп-ределяются рядом нормативных документов [65, 116, 117].

В резолюции научно-практической конференции «Особенности строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог в сложных природно-климатических условиях. Инновационные решения, материалы и технологии» (Якутия, 2012 г.) [109] отмечается : «С учетом изменив-шихся условий эксплуатации автомобильных дорог в зоне вечной мерзло-ты (связанных с деградацией вечной мерзлоты, вызванной общим потеп-лением климата), в том числе приводящих к деформациям основания и самих сооружений, рекомендовать Федеральному дорожному агентству рассмотреть возможность разработки Плана мероприятий по совершенст-вованию методов строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог в условиях вечной мерзлоты, с обеспечением его широкого обсуж-дения учеными и специалистами и его последующей реализацией в рам-ках Плана НИОКР Росавтодора».

В течение 2011 − 2014 гг. 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 проектирова-нии, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог”» [108]. В рабо-тах [8,108] отмечается отсутствие нормативных документов, позволяю-щих 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 автомобильной дороги в целом и

9

на отдельных ее участках для выбора оптимальных в техническом и эко-номическом отношениях конструкций отмечает В.Г. Кондратьев в работе [74]. Его предложения по мониторингу мерзлотной обстановки на трассе направлены на периодическую оценку состояния дороги с разделением её на участки: «стабильные, потенциально опасные и деформирующиеся». На наш взгляд этот очень важный тезис предполагает качественно новый подход к анализу результатов инженерных изысканий, предусматриваю-щий разделение дороги на участки с различными характеристиками при-родных условий.

Основные требования к проектированию и строительству автомо-бильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты в РФ изложе-ны в СНиП 2.05.02-85* [118, 124], раздел «Земляное полотно в сложных условиях», и ВСН 84-89 [65].

Как показывает зарубежный и отечественный опыт, проблему обеспе-чения качественного и экономичного строительства дорожных насыпей на мерзлоте невозможно решить без применения прогрессивных конструк-тивных 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 [124]:

1) поднятие верхнего горизонта ММГ не ниже подошвы насыпи и со-хранение его на этом уровне в течение всего периода эксплуатации доро-ги;

2) допущение оттаивания грунта деятельного слоя в основании насы-пи в период эксплуатации дороги при условии ограничения осадок допус-тимыми пределами для конкретного типа покрытия;

3) обеспечение предварительного оттаивания вечномерзлых грунтов и осушения дорожной полосы до возведения земляного полотна.

Нормативными документами [65,124,118] определены основные ус-ловия применения этих принципов в первой дорожно-климатической зоне (I ДКЗ). В то же время СНиП определил, что «второй принцип проектиро-вания следует применять в качестве основного из конкурирующих вари-антов проектирования, оцениваемых по технико-экономическим показа-телям». Однако при выборе конструктивных решений необходимо руко-водствоваться рядом критериев, оценивающих не только капитальные вложения, но и дисконтированные эксплуатационные затраты за период срока службы дорожной конструкции [85, 162]. То есть важная роль при назначении конструкции отводится прогнозу ее устойчивости и надежно-сти за период эксплуатации дороги.

В работах [22,30] рассматриваются возможности оптимизации про-ектных решений с применением дорожных конструкций переменного ти-

10

па в зависимости от меняющихся дорожных условий по длине трассы. Та-кой подход особенно важен для регионов со сложными природными усло-виями, к которым, в частности, относится I3 ДКЗ в Восточной Сибири. Инженерные изыскания и мониторинг эксплуатационного состояния по-строенных магистралей указывают на чрезвычайную изменчивость кли-матических и геокриологических условий в этом регионе.

Так, на трассе автомобильной дороги «Амур» Чита−Хабаровск в I3 ДКЗ авторы [74] выделяет районы с очень сложными, сложными, относи-тельно сложными и относительно простыми инженерно-геокриологическими условиями, что определяется в основном наличием и льдистостью многолетнемерзлых пород, их просадочностью при оттаива-нии, а также пучинистостью при промерзании сезонно-талых и сезонно-мерзлых грунтов. Применительно к данной дороге на основе исследова-ний ГипродорНИИ выделено 6 геоморфологических областей; 4 мерзлот-ные зоны: зона сплошного распространения вечной мерзлоты; зона не-сплошного распространения вечной мерзлоты с островами таликов; зона островного распространении вечной мерзлоты; зона глубокого сезонного промерзания грунтов.

Данные инженерно-геокриологических условий по этой дороге, при-веденные в работе [74], сведены нами в общую таблицу для отражения изменчивости показателей на отдельных участках (табл. 1.1). Анализ мно-гочисленных дефектов дорожных конструкций [74] говорит о том, что при проектировании были недостаточно учтены особенности геокриологиче-ской обстановки на отдельных участках.

В научной литературе недостаточно данных о динамике транспортно-эксплуатационных показателей дорог, построенных в 60-70-е годы про-шлого века в I ДКЗ Восточной Сибири. Часть информации не сохрани-лась. Это затрудняет процессы анализа проектных решений применитель-но к строительству и эксплуатации дорог в этих регионах. В 1990−1994 гг. оценка транспортно-эксплуатационных показателей была выполнена до-центом В.М. Сикаченко (СибАДИ) в составе НИР [107] на автомобильной дороге Магадан – Усть-Нера − Хандыга – Якутск на участке протяженно-стью около 900 км.

Дорога Магадан − Якутск IV категории с покрытием из гравийно-песчаной смеси проходит по равнинной, пересеченной и горной местности в I ДКЗ. Запроектирована дорога в основном по огибающим линиям рель-ефа.

11

Таблица 1.1 Сведения об инженерно-геокриологических условиях на ключевых участках автомобильной дороги «Амур»

Ном

ер у

част

ка

Кил

омет

р на

чала−к

онца

уч

астк

а

Кол

ичес

тво

микр

орай

о-но

в

Кол

личе

ство

И

ГЭ

Мерзлотные условия

Наблюдаемые криогенные явления Распростра-

нение ВМГ

Глубина се-зонного

промерзания/ оттаивания,

м 1 72-75 5 12 Островное 3,5-3,4 Термокарстовые процессы

2 112-115 4 19 Островное 2,2-4,3 Термокарстовые процессы, пучение грунтов

3 332-335 5 26 Сплошное 2,2-3,0 Термокарстовые процессы

4 348-350 7 37 Сплошное 1,8-3,6 Термокарстовые процессы, пучение грунтов, наледи, заболоченность, курумы

5 389-392 6 43 Сплошное 1,8-3,0 Осыпи, сезонное пучение грунтов, солифлюкция

6 536-539 6 22 Сплошное 1,8-2,4 Термокарстовые процессы, болота

7 757-760 7 34 Сплошное 1,7-2,1 Морозное выветривание горных пород, замарен-ность,морозное пучение

8 882-885 5 24 Сплошное 1,8-2,2 Солифлюкция, пучение грунтов, заболоченность

9 905-908 4 23 Сплошное 1,7-2,5 Заболоченость. Возможен термокарст

10 1060-1063 6 21 Островное 2,3-3,4 Пучение

11 1128-1131 3 39 Островное 1,7-3,41 Заболоченность, пучение грунтов

12 1370-1373 4 31 Островное 2,3-3,1 Заболоченность

13 1441-1444 5 15 Островное 2,32-3,02 Отдельные маревые участки

Примечание. Микрорайоны выделены по рельефным характеристикам участков (кру-той склон, пологий склон, седловина, лог, пологая равнина, долина ручья, долина ре-ки, водораздел); ИГЭ – инженерный геологический элемент.

Результаты оценки ровности и модуля упругости по покрытию на от-

дельных участках эксплуатируемой дороги (рис. 1.3, 1.4) говорят о нерав-номерности транспортно-эксплуатационных характеристик дороги, запро-ектированной и построенной по единой конструктивной схеме на боль-шом протяжении без учета индивидуальных особенностей отдельных уча-стков. По данным отчета [107] модуль упругости на всем протяжении до-роги меняется от 36 до 931 МПа. Проект реконструкции этой дороги был

12

разработан в 1985 г. институтом «Дальстройпроект», однако на участках, обследованных СибАДИ, реконструкция в тот период еще не осуществля-лась.

а)

б)

Рис. 1.3. Модуль упругости на дорожном покрытии:

а − на холмистом участке местности; б − на равнинном участке местности а)

б)

Рис. 1.4. Ровность на дорожном покрытии:

а − на холмистом участке местности; б − на равнинном участке местности

13

Автомобильные дороги в районах распространения ММГ проектируют в следующей последовательности [127]:

− назначают принцип проектирования, учитывая особенности под-зоны, тип местности и температурный режим сезоннооттаивающих и мно-голетнемерзлых грунтов в основании;

− принимают принципиальные решения по конструкциям земляно-го полотна и дорожной одежды, учитывая особенности характерных участков дорог по высоте насыпи (глубине выемки), требования по обеспечению ус-тойчивости конструкции исходя из инженерно-геологических условий;

− определяют и рассчитывают систему водоотведения; − на участках с особо сложными условиями на основе вариантного

проектирования и технико-экономического обоснования принимают ра-циональные проектные решения.

Как отмечается в [127, 155, 162], практика изыскательских и проект-ных работ в условиях многолетнемерзлых грунтов указывает на необхо-димость детальных мерзлотно-грунтовых обследований больших терри-торий с расширением комплекса инженерно-геологических обследований и проведением дополнительных работ на особо сложных участках местно-сти с наличием маревых участков, заболоченности, термокарста, подзем-ных льдов и других подобных явлений.

Сложность оценки инженерно-геологических условий (ИГУ) заклю-чается в необходимости найти комплексную оценку многообразных при-родных факторов, общую для какой-либо выделяемой части территории. Оценочный тип районирования проводится как сравнительный, при кото-ром выделяемые части территории оцениваются в общем плане качест-венно и количественно по ряду характерных признаков. Комплексность районирования подразумевает выделение таких районов, подрайонов и участков, для которых свойственна общность значений показателей, со-ставляющих факторы ИГУ.

Приведенный обзор позволяет сделать вывод, что при назначении конструктивных решений земляного полотна необходимо рассматривать отдельные участки по длине дороги со сходными природными условиями для применения однотипных конструкций на этих участках. Данный вы-вод имеет существенное значение не только при проектировании дорож-ных конструкций, но и для выработки рациональных организационно-технологических решений.

1.2. Современные подходы к моделированию конструктивных решений земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах

Эксплуатационная надежность земляного полотна в районах распро-странения многолетнемерзлых грунтов в первую очередь обеспечивается обоснованностью выбора конструктивно-технологических решений и спо-

14

собов организации работ по сооружению земляного полотна. В соответ-ствии с [124] конструкции земляного полотна, включая рабочий слой, на-значают по продольному профилю трассы с учетом рельефа местности, свойств грунтов, гидрогеологических условий местности, исходя из обес-печения требуемых прочности, устойчивости и стабильности как самого земляного полотна, так и дорожной одежды. Выбор варианта осуществ-ляют с учетом дисконтированных затрат на стадиях строительства и экс-плуатации, минимизируя ущерб природной среде. При этом должны учи-тываться условия производства работ и опыт эксплуатации дорог в дан-ном регионе. Недостаточный учет меняющихся условий по длине дороги приводит к трудно устранимым дефектам дорожных конструкций в про-цессе эксплуатации.

В соответствии с актуализированной редакцией СП 32-104-98* [121] при проектировании земляного полотна железных дорог применяют три различных подхода:

− типовые конструктивные решения для участков с простыми ин-женерно-геологическими и топографическими условиями в соответствии с альбомом типовых решений;

− индивидуальные проекты, разрабатываемые для отдельных уча-стков со сложными инженерно-геологическими условиями, когда требует-ся проверка устойчивости и прочности земляного полотна и его основа-ния;

− групповые поперечные профили, разрабатываемые для примене-ния на ряде участков со сложными и многократно повторяющимися на рассматриваемой линии инженерно-геологическими условиями. При этом земляное полотно с уточненными на основании выполненных расчетов параметрами (по сравнению с типовыми поперечными профилями) не требует индивидуального обоснования для каждого объекта.

Аналогичные подходы целесообразно применить при проектировании земляного полотна автомобильных дорог. Решающую роль при назначе-нии конструктивных параметров земляного полотна автомобильной доро-ги играет полнота и достоверность информации, полученной в процессе инженерных изысканий автомобильной дороги. Мероприятия по управле-нию мерзлотной обстановкой в зависимости от конкретных условий могут быть направлены на повышение или понижение среднегодовой темпера-туры грунтов, уменьшение или увеличение мощности сезонно-мерзлого или сезонно-талого слоя, ослабление пучения и осадки грунтов, а также на предотвращение новообразования мерзлоты, термокарста, наледей, термо-эрозии, солифлюкции и других криогенных процессов и явлений [9,44,70,86,102,157].

15

В настоящее время ведутся исследования, направленные как на поиск новых конструктивных решений земляного полотна с применением мест-ных материалов, так и методов их расчета на устойчивость в определен-ных условиях эксплуатации.

Научные исследования в данной области связаны с определенными понятиями, которые приведены в справочной и нормативной литературе [44,102,127]. К категории «мерзлых» относят грунты, которые имеют ну-левую или отрицательную температуру и содержат в своем составе лед. Грунты называют многолетнемёрзлыми («вечная мерзлота»), если они имеют отрицательную температуру в течение трехлетнего периода и более (вечная мерзлота – не менее ста лет). Многолетнемерзлые грунты по фи-зическому состоянию (или температуре) разделяют:

− на низкотемпературные (твердомерзлые), с температурой ниже границ замерзания грунтов (для песков пылеватых температура замерза-ния − 0,3°С, для супесей − 0,6°С, для суглинков −1°С и для глин − 1,5°C);

− высокотемпературные (пластичномерзлые), с большим содержа-нием незамерзшей воды, с температурой ниже 0 °С и выше температуры замерзания грунтов.

Для инженерных целей важнейшим вопросом является изучение фи-зических процессов в сезонно-талом (деятельном) слое, так как инженер-ные сооружения в основном возводятся на этом и в этом слое. Основной характеристикой вечномерзлых грунтов является среднегодовая темпера-тура на той глубине, на которой не отмечаются сезонные колебания тем-ператур (глубина нулевых амплитуд). На рис. 1.5 [44] показано изменение температур по глубине без воздействия сооружения на вечномерзлых грунтах.

К качественным показателям взаимодействия земляного полотна и ММГ относятся [8, 102]:

− изменение естественных мерзлотно-грунтовых условий под влия-нием внешних воздействий при строительстве дорог;

− повышение температуры ММГ и оттаивание верхних слоев мерзлой толщи;

− изменение деформационных и прочностных свойств ММГ при от-таивании;

− возникновение и развитие деформаций земляного полотна вследст-вие изменения мерзлотно-грунтовых условий и свойств оттаивающих ММГ.

16

Рис. 1.5. Изменение температуры по глубине сезонно-оттаивающего слоя грунта

и вечномерзлой толщи пород [44]: 1 − кривая самых низких отрицательных температур толщи пород по глубине; 2− кривая самых высоких положительных и отрицательных температур толщи по глубине. An − годовая амплитуда температур на поверхности земли, °С; А1 − годовая амплитуда температур почвы на глубине H1, °C; А2 − годовая ампли-туда температур почвы, толщи пород на глубине Н2, °С; А3− то же на глубине Н3, °С и т.д.; А0 − нулевая амплитуда температур толщи пород т.е. равна 0°С; Н0 − глубина нулевой амплитуды пород, м; − максимальная глубина оттаи-вающих летом грунтов, м; ВГВМГ − верхний горизонт вечномерзлых грунтов; НГВМГ − нижний горизонт вечномерзлых грунтов; t0 − отрицательная темпе-ратура вечномерзлых грунтов в данной точке (пункте) поверхности земли, °С

Для прогноза результатов взаимодействия земляного полотна и ММГ при моделировании необходимо знать количественные характеристики ряда параметров [8], в том числе:

− мощность деятельного слоя в естественных условиях;

17

− то же в пределах конструкции земляного полотна с учетом пред-построечных мероприятий;

− глубину залегания поверхности ММГ в основании насыпей; − величины осадки насыпи вследствие уплотнения растительно-

мохового покрова и деформирования грунтов деятельного слоя; − величины осадки насыпи вследствие уплотнения оттаивающих

ММГ основания. Совместное влияние перечисленных факторов формирует тепловой

режим поверхностного слоя толщи ММГ и возможные изменения средне-годовой температуры на глубине под насыпями. Схема теплового взаимо-действия насыпи и грунтов основания приведена на рис. 1.6 [102].

Рис. 1.6. Схема вариантов теплового взаимодействия дорожной насыпи и грунтов основания [102]:

1− насыпь; 2 − деятельный, сезоннопромерзающий, сезоннооттаивающий слой; 3 – многолетнемерзлый грунт (ММГ); 4 − поверхность бугра ММГ;

5 − поверхность ММГ в естественных условиях до возведения насыпи; 6 − пониженная поверхность ММГ; 7− массив ММГ

При конструировании земляного полотна необходимо соблюдать определенные условия, соответствующие выбранным принципам проек-тирования. Для первого принципа проектирования это условие определя-ется следующим соотношением:

, (1.1)

где температура замерзания грунта, °С; – отрицательная сред-негодовая температура в основании насыпи, °С.

Условие второго принципа проектирования следующее:

18

(1.2)

По ВСН 84-89 [ 65] эти условия регулируются высотой насыпи при теплотехнических расчетах. При проектировании и строительстве по вто-рому принципу высота насыпи должна быть больше определенной вели-чины Нmin , определяемой с учетом допустимой осадки для разных типов покрытия по ОДН 218.046-01 [106].

Деформации приводят к полному или частичному нарушению рабо-тоспособности земляного полотна, которые проявляются в виде повреж-дений или разрушений [79]. К повреждениям относятся местные наруше-ния в элементах земляного полотна, а к разрушениям – нарушение его це-лостности (оползни, размывы, провалы). Основная причина повреждений и разрушений – недопустимое накопление остаточных деформаций из-за дефектов проектирования, строительства и эксплуатации. Деформации разделяют на допускаемые и недопускаемые, равномерные и неравномер-ные, упругие, вязкопластичные и просадочные. Опасность для состояния дорожных покрытий представляют неравномерные остаточные деформа-ции.

Дорожное земляное полотно является линейным сооружением боль-шой протяженности, поэтому при проектировании необходимо учитывать не только различие конструктивных решений по длине дороги, связанных с высотными отметками (насыпи, выемки), но и разнообразие геоморфо-логических и гидрогеологических условий, теплового режима ММГ по длине трассы. Н.А. Перетрухин и Т.В. Потатуева [102], указывая на из-менчивость мерзлотных условий в естественных условиях (особенно в зо-нах с высокотемпературной мерзлотой), делают вывод, что «ММГ факти-чески используются в качестве основания дорожных насыпей одновре-менно по I и II принципам» проектирования.

Одной из самых частых причин деформаций земляного полотна на ММГ является нарушение температурно-влажностного режима под воз-действием различных факторов техногенного и природного характера.

В работе С.М. Ждановой [60] по результатам обследований выявлены проявления характерного вида деформаций земляного полотна в опреде-ленных природно-климатических районах Северного хода ДВЖД в про-цессе эксплуатации железной дороги. Были проанализированы две зоны, каждая протяженностью порядка 200 км. Диаграммы, приведенные на рис. 1.7, показывают, что для 281-й зоны характерным является 4-й тип де-формации (осадки основания земляного полотна), а для 290-й зоны преоб-ладающими являются пучинно-просадочные деформации основной пло-щадки земляного полотна (1-й тип). Первый и пятый виды деформаций составляют соответственно 25,4 % и 39,6 % от всех видов деформаций на

19

данной дороге. Остальные деформации в этих зонах (2 – сплывы, 3 – за-ужение основной площадки, 5 – наледи, 6 – водоразмывы) имеют незна-чительные проявления.

а) б)

20

40

80

60

100

120

1 2 3 4 5 6 7

Оса

дки

25,4%

Виды деформаций

Про

тяж

енно

сть,

км

8

20

40

80

60

100

120

1 2 3 4 5 6 7

Пучи

ны

39%

Виды деформацийП

ротя

жен

ност

ь, к

м

8

Рис. 1.7. Диаграммы суммарных деформаций для 281-й зоны (а)

и 290-й зоны (б) Северного хода ДВЖД [60]

Сопоставление характерных видов деформаций (см. рис. 1.7) и дан-ных о климатических и мерзлотных условиях на этих участках позволили С.М. Ждановой сделать вывод, что для определенной природно-климатической зоны можно прогнозировать характерные деформации технической системы «земляное полотно − основание» в условиях ММГ. Этот вывод имеет важное значение для моделирования конструктивных решений земляного полотна на различных участках дороги в процессе проектирования в зависимости от комплекса природно-климатических и геокриологических факторов, характерных для определенного участка.

Авторы [8], используя материалы обследований СоюздорНИИ и Ир-кутского филиала ГипродорНИИ 70-х годов прошлого века, проанализи-ровали данные о состоянии конструкций дорожных насыпей в зоне рас-пространения ММГ на достаточно обширной территории, в которую во-шли следующие объекты: притрассовые автомобильные дороги БАМа, железная дорога по линии БАМ − Тында, дороги Магаданской области, дороги севера Восточной Сибири, промысловые дороги Западной Сибири, автомобильная дорога «Амур» (Чита – Хабаровск).

Значительные объемы разрушений на обследованных дорогах авторы [8] связывают с разрушительной деятельностью поверхностных, надмерз-

20

лотных и других грунтовых вод, приводящей к постепенной деградации мерзлоты в основаниях дорожных насыпей.

Наиболее опасно возникновение участков течения (фильтрации) воды по оттаивающему мёрзлому основанию, так как это приводит к образова-нию обширных таликов. Из общих закономерностей развития термокарста известно, что под слоем стоячей воды вечная мерзлота деградирует в среднем в 10 раз быстрее, чем при контакте с атмосферой (воздухом), и в 100 раз быстрее, при контакте с текущей водой [136,145,159].

Анализ зарубежных источников позволяет отметить ряд характерных направлений проектных решений при строительстве земляного полотна в условиях криолитозоны: минимальное нарушение природных условий, широкое проведение экспериментальных исследований в производствен-ных условиях, использование теплоизоляции для предохранения много-летнемерзлых грунтов от оттаивания [149, 152, 154, 159, 165]. Проблема быстрого, недорогого и качественного строительства дорожных насыпей на мерзлоте в Канаде, на Аляске решалась благодаря массовому приме-нению местных глинистых грунтов, а также слоев из различных теплоизо-лирующих материалов [102,164].

Теоретические исследования и инженерная практика для регулирова-ния температурного режима пород в нужном направлении рекомендуют различные мероприятия, позволяющие направленно изменять процессы тепло- и массообмена на поверхности земляного полотна, используя есте-ственные ресурсы холода или тепла, оказывающие на грунты основания сооружений охлаждающее действие, не допуская их многолетнего оттаи-вания (слои насыпи из переувлажненных глинистых грунтов, торфа, про-слойки из скальных грунтов в качестве «продухов» и т. д.) [44,78,86,90,102,158,160].

На величину осадки земляного полотна кроме состояния и свойств грунтов основания влияют также факторы внешней нагрузки, обусловлен-ные, в частности, высотой и конструкцией насыпи. Поэтому при проекти-ровании насыпей решают задачи, связанные с назначением высоты насы-пи; расчетом осадки; определением противодеформационных мероприя-тий, направленных на обеспечение устойчивости земляного полотна в процессе эксплуатации..

Противодеформационные мероприятия разделяют на конструктивные и организационные. К конструктивным мероприятиям относят, например, создание запаса по высоте насыпи; устройство берм; применение специ-альных конструктивных решений насыпей. Организационно-технические мероприятия определяют прежде всего время (летний или зимний пери-од), а также способы производства работ.

21

Зарубежный опыт и исследования отечественных ученых показывают, что использование местных материалов, различных конструктивных уст-ройств, например, в виде «диодов» [7], тепловых амортизаторов, тепловых трансформаторов [137,139,140,161], включаемых в тело насыпи, могут обеспечить устойчивость дорожных конструкций с большей эффективно-стью, чем простое повышение отметки дорожной насыпи.

Для инженерно-геологической оценки (ИГО) трассы необходимо знать не только существующие на момент изысканий мерзлотные условия (МУ), но и возможное изменение их в период строительства и эксплуата-ции дороги. Использование математического и физического моделирова-ния, в сочетании с теплотехническими расчетами, позволит выбрать оп-тимальные (или близкие к ним) в техническом и экономическом отноше-нии мероприятия для защиты дорожных конструкций от вредного воздей-ствия криогенных процессов и явлений.

1.3. Анализ методов организационно-технологического моделирования при строительстве земляного полотна

в условиях криолитозоны

Дорожное строительство в сложных условиях всегда уникально. Вы-бор конструктивных, организационно-технологических решений в кон-кретных условиях производства работ должен опираться на технико-экономические обоснования при сравнении достаточно большого количе-ства возможных вариантов, так как это обстоятельство повышает гарантии успешного строительства. При моделировании организационно-технологических решений в районах распространения вечной мерзлоты необходимо учитывать ряд факторов, связанных как со сложностями природных условий, так и с трудностями социально-экономического ха-рактера удаленных регионов России. Особенности дорожного строитель-ства, характерные для Крайнего Севера России и приведенные в работе [127], позволяют сделать вывод о необходимости применять особые мето-ды организации дорожно-строительных работ и технику .

Нормативным документом рекомендательного характера, устанавли-вающим общие правила ведения строительства, сложившиеся в практике и обусловленные действующим законодательством, является СНиП 12-01-2004* [120]. В актуализированной редакции СНиПа (СП 48.13330.2011) определено, что ПОС является неотъемлемой и составной частью проект-ной документации, обязательным документом для застройщика (заказчи-ка), подрядных организаций, а также организаций, осуществляющих фи-нансирование и материально-техническое обеспечение строительства.

22

В СНиПе отмечается, что при строительстве линейных сооружений, к которым относятся автомобильные дороги, необходимо дополнительно учитывать требования действующих нормативных документов, особенно при строительстве в сложных природных и геологических условиях.

Основой ПОС в современных условиях является организационно-технологическое моделирование (ОТМ), определяющее состав и взаимо-связи основных компонентов производственного процесса: конструктив-ных, технологических и организационных. Проект организации строи-тельства автомобильной дороги включает также комбинацию проектов различных подсистем с поточными и не поточными методами организа-ции основного производства, а также обслуживающих и вспомогательных производств различного назначения.

В составе ПОС для транспортного строительства разрабатывают ор-ганизационно-технологические схемы (ОТС) , которые объединяют ло-кальные технологические решения для отдельных видов работ. Эти схемы могут повторяться на однотипных участках магистралей, определяемых на основе дорожного районирования. Опыт разработки таких схем при строительстве земляного полотна железнодорожных магистралей в север-ных условиях [48,97,98,129,142,143,162] показал, что на сложных объек-тах особенно важно обеспечить взаимосвязь конструктивных решений и эффективных технологических способов производства работ, формирова-ние рациональных организационных форм линейного дорожного строи-тельства.

Методику выбора регулирующих параметров авторы [129] предлага-ют выполнять на основе структурного и функционального анализа ОТС. Взаимосвязь параметров принимаемых решений показана в этой работе на примере строительства земляного полотна (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Конструктивно-технологические и организационные решения (на примере земляного полотна)

Этап Наименование этапа

1 Определение состава и объемов работ по технологическим процес-сам в базовом варианте конструкции

2 Выработка конструктивно-технологического решения

3 Расчет фондов машиноресурсов, производительности и продолжи-тельности процессов

4 Календарное планирование (сетевая модель) на фронте работы мех-колонны

5 Определение результирующих показателей − стоимости и сроков сдачи земляного полотна под укладку пути

23

Применительно к земляному полотну алгоритм взаимосвязи парамет-ров основан на расчете комплексной характеристики − сроков производ-ства земляных работ и сдачи земляного полотна под укладку пути, смены [129]:

, (1.3)

где − объем работ i-го исполнителя на j-м участке, тыс.м3; – количе-ство исполнителей (машин, бригад в комплекте) на участке; − часовая производительность одного исполнителя в комплекте на j-м участке, тыс.м3 /ч; − фонд рабочего времени одного исполнителя в смену, ч/смену; − соответственно коэффициенты изменения производи-тельности в зависимости от грунтовых характеристик и технологиче-ских характеристик исполнителей G, б/р.

Приведенный порядок моделирования учитывает ряд особенностей производства работ, связанных с ММГ, но оставляет нерешенными вопро-сы по ряду параметров: учет сезонности работ, формирование графиков производства работ с определенной периодичностью, учет климатических факторов, режимов рабочих процессов, управление графиком. Кроме того, данные предложения направлены в первую очередь на строительство зем-ляного полотна железных дорог, и не учитывают организационных осо-бенностей строительства автомобильных дорог.

В работе [32] рассматриваются вопросы декомпозиции объектов строительства на проектно-технологические модули. Такой подход вполне применим для организации строительства магистралей в сложных при-родных условиях.

Из известных моделей наиболее соответствуют условиям транспорт-ного строительства модели, представленные в работах [31,94,142].

Для целей проектирования графиков строительства земляного полот-на автомобильных дорог на ММГ специализированными отрядами поточ-но-участковым (или параллельно-поточным) методом более приемлема имитационная модель [19], так как в большей степени учитывает техноло-гические и организационные факторы при строительстве автомобильных дорог.

Проблемы формирования и выбора вариантов решений применитель-но к условиям строительства земляного полотна на ММГ возникают как на стадии проектирования, так и в процессе осуществления строительства

24

из-за возможного изменения природных факторов в период реализации проекта.

Основой для выбора рациональных схем производства работ могут быть типовые решения , принимаемые ранее в аналогичных условиях. В то же время необходимо на основе ситуационного подхода учитывать из-менения в материальном и техническом обеспечении строительства, осо-бенности действия внешних природных и экономических факторов.

В работах [13,14,76] предлагается осуществлять эту процедуру с ис-пользованием методов функционально-стоимостного анализа (ФСА). В работе [129] этот метод рассмотрен ограниченно как структурный и функ-циональный анализ организационно-технологических систем (ОТС). В более универсальном виде использование методики ФСА применительно к дорожному строительству продемонстрировано на отдельных примерах возведения земляного полотна из переувлажненных грунтов [76], строи-тельства цементобетонного покрытия при пониженных температурах [13]. Учитывая многообразие конструктивных решений и многовариантность технологических и организационных способов производства работ при строительстве земляного полотна в сложных условиях криолитозоны, счи-таем целесообразной проработку данного подхода для совершенствования методики проектирования организации строительства автомобильных до-рог на ММГ. В свою очередь использование ФСА требует разработки на-учных принципов формирования структуры информационных баз данных конструктивных решений земляного полотна с привязкой к природным условиям различных территорий в I ДКЗ.

Выводы

Проведенный анализ исследований, связанных с особенностями мо-

делирования проектных решений земляного полотна автомобильных до-рог в условиях криолитозоны, отразил необходимость комплексного под-хода к отдельным этапам в системе проектирования земляного полотна, позволяющего последовательно осуществлять моделирование и анализ проектных решений.

Прежде всего, автомобильная дорога рассматривается с позиций структурно-модульного подхода к проектированию сооружений. Земляное полотно − часть дорожной конструкции, взаимодействующая как с други-ми элементами (модулями): дорожной одеждой, системой водоотвода, специальными сооружениями и т.д., так и непосредственно с природной средой и, прежде всего, с многолетнемерзлым основанием. Выбор проект-ных решений земляного полотна с учетом воздействия природных факто-ров служит в дальнейшем основанием для принятия конструктивных и ор-

25

ганизационно-технологических решений по другим структурным модулям автомобильной дороги. В этой связи предполагается рассмотреть сквозное проектирование земляного полотна от принятия конструктивных решений на отдельных участках дороги, связанных с условиями прохождения трас-сы и материалами изысканий, до назначения организационно-технологических решений в составе проекта организации строительства.

Материалы комплексных инженерных изысканий должны рассматри-ваться как информационная база для принятия обоснованных и экономич-ных проектных решений в составе проектной документации.

С этой целью предполагается новый подход к оценке результатов инженерных изысканий, предусматривающий разделение дороги на уча-стки с относительно однородными характеристиками природных условий на основе комплексной оценки многообразия природных факторов и осо-бенно инженерно-геологических условий.

26

Глава 2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ИНЖЕНЕРНОМУ РАЙОНИРОВАНИЮ ТРАССЫ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ

В СЛОЖНЫХ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

2.1. Общие принципы и цели линейного дорожного районирования в условиях криолитозоны

Физико-географическое районирование имеет фундаментальное

общенаучное значение и может служить основой для развития прикладных теорий районирования, предназначенных для решения практических задач в разных отраслях народного хозяйства.

Теоретические основы физико-географического районирования представляют собой систему логически взаимосвязанных принципов, вытекающих из двух основных закономерностей: дифференциации (т.е. разчленения, разделения на части при изучении чего-либо) и интеграции природных комплексов (как создание целого из отдельных частей). Единство этих принципов является основой теории физико-географического районирования, но по мнению А.Г. Исаченко [69] до последнего времени в практике доминирует принцип дифференциации.

По мнению многих авторов [29, 69] принципы дифференциации тер-ритории должны базироваться на основе учения о ландшафте, а также на зональных и интразональных закономерностях формирования природных комплексов. В совокупности факторов окружающей среды зональные и интразональные факторы соответствуют двум основным типам физико-географического районирования: зональность обусловлена изменением солнечной энергии на поверхности Земли по широте, интразональность связана в основном с геолого-геоморфологическими различиями террито-рий [2]. Интразональные и региональные факторы при взаимодействии оказывают существенное влияние на отдельные участки ландшафта мест-ности.

В основу деления по зональным закономерностям положены следую-щие природно-климатические факторы: солнечная активность, температу-ра, количество осадков, влажность, величина снежного покрова. К интра-зональным признакам большинство исследователей [5,56,69] относят рельеф местности, топографические факторы, условия стока и водоотвода, наличие рек и озер, гранулометрический состав грунтов, колебания уров-ня грунтовых вод, связанные с особенностями микрорельефа, и т.д.

Региональные факторы имеют более частный характер и делятся на природные (распространение грунтов особых разновидностей, отличаю-щихся своими свойствами от обычных грунтов того же состава) и антро-погенные, связанные с хозяйственной деятельностью человека.

27

В данной работе не рассматриваются азональные факторы, к которым ряд исследователей [5] относят показатели, связанные с расчетом конструкций на напряженно-деформированное состояние: постоянная нагрузка от веса насыпи, нагрузка от транспортных средств. Вопросы дифференциации территорий широко развиваются различными прикладными исследованиями. Прикладная интерпретация районирования, не затрагивая его теоретических основ, влияет на систему дополнительной объективной информации, связанной с определенными отраслевыми задачами. Тип районирования, необходимый для решения специальных задач дорожного проектирования, называют «инженерным районированием» [126].

Можно сказать , что принцип дифференциации территорий , на основе которого сформированы дорожно-климатические зоны [118], имеет огромное значение для проектирования и строительства автомобильных дорог в разных регионах России. В работах [5,29,59] и др. приведен исторический обзор развития теории и практики дорожно-климатического районирования на основе фундаментальных положений, сформулированных в работах [2,130]. Ученые и дорожники многих стран работают над тем, как оценить взаимовлияние природных территориальных комплексов (ПТК) и инженерных решений в процессе строительства и эксплуатации автомобильных дорог. В то же время, по мнению многих специалистов дорожной отрасли [10,29,57,59,147], существующее дорожно-климатическое районирование нельзя признать полностью удовлетворяющим требованиям по обеспечению качества проектирования и строительства автомобильных дорог. Основными при-чинами сложившегося положения А.К. Виноградский [29] считает:

− многоплановость требований со стороны дорожников к оценке природных и техногенных факторов, определяющих инженерные реше-ния;

− проложение дорог как линейных объектов на значительных рас-стояниях, по различным зонам и природно-территориальным комплексам.

Опираясь на исследования последних лет, можно говорить о необходимости уточнения границ ДКЗ, а также о тенденции более детального районирования внутри существующих дорожно-климатических зон. В цикле работ В.Н. Ефименко и его учеников [5,56 − 59] доказана эффективность дифференциации территорий регионов Западной Сибири на зоны, подзоны и дорожные районы в зависимости от изменчивости природных геокомплексов. Аналогичные работы выполнены А.И. Ярмолинским и В.А. Ярмолинским для территории Дальнего Востока [147,148]. Таким образом реализуется тенденция перехода от макрорайонирования к микрорайонированию территорий для

28

целей эффективного проектирования и строительства дорог с учетом устойчивости и надежности дорожных конструкций. В настоящее время потребности развития дорожной сети на обширных территориях Западной и Восточной Сибири, Дальнего Востока требуют проведения работ по более детальному районированию территорий.

Основная задача районирования применительно к проектированию дорог в работе [59] сформулирована как выделение для отдельных регионов России таких районов, в пределах которых однотипные дорожные конструкции (по категории дороги, характеру грунта , типу местности по условиям увлажненияи, другим факторам внешней среды) будут характеризоваться близкой прочностью и устойчивостью. Авторами данного исследования в качестве факторов районирования для определения границ дорожно-климатических зон, подзон и районов на территории Западной Сибири учтены грунтовые, климатические и гидрологические условия территории, использованы показатели рельефа местности, состав и свойства глинистых грунтов, особенности влагонакопления. В пределах выделенных дорожных районов рекомендованы и обоснованы морозоустойчивые дорожные конструкции. Нужно отметить, что данные исследования относятся к регионам с относительно развитой дорожной сетью. Поэтому факторами районирования служат результаты наблюдений на метеостанциях населенных пунктов и анализы проб грунта на определенных участках дорог территорий исследования. Например, для районирования территорий Западной Сибири по схеме «зона−подзона−дорожный район» использовались расчетные значения глинистых грунтов, преобладающих для строительства дорожных насыпей в этих регионах.

В работах многих исследователей данного направления определено понятие физико-географического района как сложной природной систе-мы, неисчерпаемой по многообразию характеризующих ее параметров. По мнению А.Г. Исаченко [69] «характеристика региона никогда не может быть исчерпывающей, она всегда в той или иной степени избирательна, и мы должны использовать эту избирательность целенаправленно − приме-нительно к назначению районирования». На основе общих подходов к дорожно-климатическому районированию возможно решение ряда задач, определяемых конкретными целями районирования.

В работах В.М. Сиденко, М.А. Солодухина, С.А. Трескинского [123,126,130] впервые было сформулирован общий подход и принципы инженерного дорожного районирования как отдельной области научных исследований, связанной с влиянием компонентов природного комплекса на дорогу и строительный процесс. Например, А.К. Виноградский [29] применил термин «линейное дорожное районирование» (ЛДР) для оценки

29

сложности дорожных условий и выбора рационального местоположения трассы, понимая под коридором трассирования «цепочку» микроланд-шафтов, которые по своим характеристикам могут в определенной степе-ни повторяться по длине трассы, образуя однородные линейные дорожные комплексы (ЛДК) по аналогии с природно-территориальными комплекса-ми (ПТК).

Понятие «однородность» предполагает существование совокупности элементов, обладающих некоторыми общими признаками [81]. Сходство элементов по этим признакам дает основание для их объединения в одно-родный район, т.е. в определенную систему.

Современные исследования, связанные с уточнением границ дорож-но-климатических зон на территории Западной Сибири и Дальнего Восто-ка, оказывают существенное влияние на повышение качества проектиро-вания автомобильных дорог в этих регионах [58,59,148].

Функциональное назначение инженерного дорожного районирования – качественная и количественная оценка природных условий для проекти-рования дорожных конструкций. Особенно важным представляется реше-ние такой задачи для регионов со сложными условиями строительства, к которым, в частности, относится I ДКЗ, включающая территории с разно-образными геологическими и геокриологическими условиями.

Определение «сложные условия» является всегда специфическим для конкретной территориальной зоны размещения и даже для конкретного периода строительства. Если рассматривать эти условия с позиций эффек-тивности строительного производства как системы, то, кроме влияния на конструктивные решения дорог можно выделить общие для территори-альных зон организационные и технические характеристики использова-ния ресурсов, которые связаны с влиянием природно-климатических фак-торов (см. гл.1). В то же время сложные условия геокриологической зоны России с высокой изменчивостью геокомплексов требуют выполнения бо-лее детального линейного районирования трассы дороги.

Учитывая природно-климатические факторы, территория России условно разделена на два обширных региона [127]:

1-й − основной, особенностью которого является сезонное промерзание грунтов (∼ 30−35 % территории России);

2-й, в котором поверхностный слой грунтов протаивает летом на некоторую глубину (сезонное оттаивание грунтов), а остальную часть года находится в мерзлом состоянии (∼ 65−70 % территории России занимает вечная мерзлота). Эта территория определена как I дорожно-климатическая зона.

Разделение I ДКЗ на 3 подзоны выполнялось с учетом следующих основных показателей: среднегодовых температур воздуха; характера

30

распространения многолетнемерзлых грунтов и их температур; мощности, вида грунтов и влажности сезоннооттаивающего слоя; особенностей рельефа местности и гидрологии. Именно эти факторы влияют на устойчивость земляного полотна в криолитозоне.

В соответствии с нормативными документами [65] выделены следующие подзоны: северная подзона I1 − низкотемпературных многолетнемерзлых грунтов сплошного распространения; центральная подзона I2 − низкотемпературных многолетнемерзлых грунтов преимущественно сплошного распространения, южная подзона I3 − высокотемпературных многолетнемерзлых грунтов (ВТММГ) преимущественно островного распространения.

В 1974 г. А.А. Малышев в соавторстве с научными сотрудниками СоюздорНИИ на основе продолжительных исследований опубликовал схему районирования 1ДКЗ [62]. В ее пределах выделено 4 дорожных района. Относительная однородность выделенных районов установлена по четырем факторам: вид грунта сезоннооттаивающего слоя; его влаж-ность, характер распределения вечномерзлых грунтов и их температур; мощность деятельного слоя.

Существенный вклад в разработку научных основ районирования территории I ДКЗ для целей дорожного строительства в этом регионе вне-сли работы, выполненные В.А. Давыдовым, научными сотрудниками Со-юздорНИИ, МАДИ [42,43,45]. Полученное ими районирование северных территорий соответствует таксономической системе: зона − подзона − район. По мнению О.Н. Гулько [42], разработанное ими районирование территории Крайнего Севера Европейской части России с наличием мно-голетнемерзлых грунтов, увеличивает эффективность капиталовложений, поэтому оно может быть использовано в развитие или дополнение норма-тивных документов при проектировании дорог.

В диссертационной работе Н.Ф. Вербуха [28] применительно к регио-ну Центральной Якутии были разработаны рекомендации по проектиро-ванию конструкций земляного полотна и искусственных сооружений, обеспечивающие повышение их надежности и снижение стоимости на ос-нове учета и использования климатических и мерзлотно-грунтовых осо-бенностей региона. В этой работе проектирование рациональных конст-рукций рассматривалось с привязкой к зонам с различными условиями те-плообмена, расположенными в пределах самого инженерного сооружения и на прилегающей территории, которая имеет тепловое влияние на это со-оружение. Предлагаемые решения в большей степени учитывают регио-нальные факторы в пределах зоны действия искусственных сооружений или участков земляного полотна с особыми конструктивными особенно-стями и действием внешних факторов на ограниченном пространстве, т.е.

31

частные случаи, которые, несомненно, играют важную роль при строи-тельстве автомобильных дорог. В работе не рассматриваются вопросы определения границ действия внешней среды в целом на линейное соору-жение (т.е. вопросы линейного дорожного районирования).

В работе [59] дан глубокий анализ геокриологических особенностей северной части Западно-Сибирской равнины, который имеет важное зна-чение для развития инфраструктуры, в т.ч. строительства автомобильных дорог на данной территории. В то же время авторы отмечают, что границы I – II дорожно-климатических зон на территории Западной Сибири обо-значены ими «в первом приближении», т.е. необходимы дальнейшие на-учные исследования для уточнения этих границ и более детального рай-онирования этой территории.

Примеры дорожного районирования в условиях криолитозоны пред-ставлены и проанализированы в работе [74] для трассы автомобильной дороги «Амур» Чита−Хабаровск. Геоморфологическое районирование до-роги выполнено с учетом инженерных геокриологических условий для разделения изучаемой территории на типы ландшафтов, каждый из кото-рых характеризуется определенной однородностью исследуемых факто-ров. При районировании ключевых участков авторами [74] применен ме-тод картографических наложений (рис. 2.1, 2.2). Однако комплексной оценки совокупности инженерно-геологических факторов в рамках мик-рорайонов не выполнялось.

Опираясь на фундаментальные положения теории географического районирования [2,35,69,81] и в соответствии с поставленными целями, задача линейного дорожного районирования (ЛДР) решается нами на основе принципа интеграции отдельных природных участков территории на протяжении трассы дороги. Интеграция линейных геокомплексов в условиях многолетнемерзлых грунтов является в определенной степени новой научной задачей, которая развивается в нашей работе в теоретическом плане. Линейное районирование рассматривается нами с одной стороны как задача классификации, направленная на выделение по длине трассы автомобильной дороги участков с однородными условиями природной среды, с другой стороны как задача использования интеграль-ного подхода к районированию. Классификация и районирование являют-ся разными формами отражения естественной дифференциации окру-жающей среды. При классификации исследуемые элементы распределя-ются по классам согласно сходству и различию между ними так, что каж-дый класс относительно других классов занимает четкое фиксированное место.

32

Рис. 2.1. Инженерно геокриологические условия участка трасссы федеральной автомобильной дороги «Амур» Чита – Хабаровск, км км 72-75 [74]

Рис. 2.2. Инженерно геокриологические условия участка трассы федеральной автомобильной дороги «Амур» Чита – Хабаровск, км км 112-115 [74]

33

2.2. Концептуальная модель и параметры многоуровневого инженерного

районирования трассы дороги

Решающую роль при назначении конструктивных параметров земля-ного полотна автомобильной дороги играет полнота и достоверность ин-формации, полученной в процессе инженерных изысканий автомобильной дороги в соответствии с нормативными документами [91,116,119], опре-деляющими состав и порядок проведения изысканий для выполнения про-ектных работ.

Для изучения закономерностей взаимодействия различных сооруже-ний с многолетнемерзлыми грунтами (ММГ) существует несколько на-правлений, основанных на традиционных инженерно-геологических, рас-четно-теоретических и инженерно-физических методах исследования [102]. Инженерно-геологическое направление предоставляет информа-цию, отражающую текущее состояние геокриологических процессов на трассе дороги, и с этой точки зрения в большей степени отвечает потреб-ностям районирования для разработки проектных решений. На основе этих исследований возможно с достаточной степенью достоверности вы-делить однородные участки с характерными природными условиями, что чрезвычайно важно при проектировании конструкций, организации строительства, а в дальнейшем при мониторинге состояния и эксплуата-ции дорог на многолетнемерзлых грунтах.

По аналогии со схемой, приведенной в работе [4], представим гео-техническую систему автомобильной дороги (ГТС-АД) как совокупность укрупненных элементов (рис. 2.3):

, ( 2.1)

где ОЗП, ОДО, ОВ – соответственно объекты земляного полотна, дорож-ной одежды, водоотвода и т.д.

Каждый из этих элементов представлен в системе ГТС разными кон-структивными решениями в зависимости от действия факторов внешней среды: окружающей среды (ОС), геологической среды (ГС), природной среды (ПС), ландшафтной среды (ЛС), динамической автомобильной на-грузки (ДАН). В свою очередь, принятые конструктивные решения эле-ментов автомобильной дороги как технической системы, включая техни-ческие подсистемы дорожной одежды (ТПС-ДО) и земляного полотна (ТПС-ЗП), будут воздействовать, прежде всего, на элементы геологиче-ской и природной среды.

34

Рис. 2.3. Схема взаимодействия внешней среды (ВС)

и геотехнической системы автомобильной дороги (ГТС-АД)

Земляное полотно в обобщенном виде может быть представлено в виде совокупности инженерных решений по продольному профилю доро-ги [41]:

{ТПС−ЗП }= «Н, НМ, В, ПВ, ПН−ПВ, ПН», ( 2.2)

где комплексный показатель {ТПС−ЗП} включает элементы Н − насыпи, НМ − нулевые места, В − выемки, ПВ − полувыемки, ПН-ПВ − полувыем-ки-полунасыпи, ПН − полунасыпи.

Детальные конструктивные решения по земляному полотну и дорож-ной одежде могут быть приняты только на основе изучения условий мест-ности с привязкой к определенному линейно-дорожному комплексу (ЛДК), сформированному на основе ЛДР. К числу основных природных факторов, оказывающих непосредственное влияние на развитие инженер-но-геокриологических процессов, В.Г. Кондратьев [74] относит метеоро-логические, геоботанические, гидрологические, гидрогеологические и геокриологические группы факторов. В зависимости от целей райониро-вания в ряде работ группировка исходных факторов отличается от приве-денной выше. С.М. Жданова [60], характеризуя пассивные комплексы факторов, влияющих на состояние земляного полотна, делит их на три группы: генетические, природно-климатические и физико-климатические.

ММГ

35

Группировка факторов для целей инженерного районирования автомо-бильной дороги представлена на рис. 2.4.

Факторы окружающей среды при инженерном районировании трассы автомобильной дороги в сложных природных условиях

Геолого-географические

условия

Природно-климатические

факторы

Физико-климатические

факторы

Мерзлотно-грунтовые

Инженерно-геологические и

геоморфологические

Гидрологические

Топографические

Сейсмические и тектонические

Геоботанические

Продолжитель-ность морозного

периода и высота снежного покрова

Среднегодовая температура и

влажность воздуха

Солнечная активность

Интенсивность и продолжитель-ность осадков

Температурный режим пород

Сезонное оттаивание и промерзание

Криогенные процессы и

явления

Инфильтрация

Испарение, выветривание,

эррозия

Деградация мерзлоты, термокарст

Рис. 2.4. Группировка факторов в системе «Автомобильная дорога−внешняя среда»

Рассматриваемая задача линейного дорожного районирования форму-

лируется следующим образом: разделить совокупность единичных (эле-ментных) участков дороги, заданных набором характеризующих их чи-словых значений соответствующих признаков на однородные группы. Группировка единичных участков по длине дороги соответствует иерар-хической процедуре разбиения наблюдений на классы. В физико-географическом районировании этот математический метод носит назва-ние таксономического анализа или таксономического метода [35,131].

36

При использовании данного подхода к районированию каждый эле-ментный участок дороги рассматривается сначала как отдельный таксон, обладающий совокупностью определенных свойств, выражаемых качест-венными или количественными характеристиками.

Конструктивное решение земляного полотна автомобильной дороги может быть представлено в виде функции от совокупности свойств (при-родных факторов), свойственных таксону (см. рис. 2.4):

, ( 2.3)

где КР − вариант конструктивного решения; i – топографические условия (пологий склон северной экспозиции, долина ручья, лог, крутой склон се-верной экспозиции и т.д.), рельеф местности (чередование отметок, ритм и т.д.); j – геоморфологические условия (коренные породы, грунты четвер-тичных отложений, тип ИГЭ); k − гидрологические условия (интенсив-ность и продолжительность осадков, тип местности по условиям увлажне-ния, уровень грунтовых вод, солнечная активность, испарение и т.д.); l – тип земляного полотна по продольному профилю (насыпь, выемка, полу-насыпь-полувыемка, нулевые отметки профиля), градация по высотным отметкам; m – совокупность факторов окружающей среды (продолжи-тельность морозного периода, высота снежного покрова, глубина промер-зания грунтов, среднегодовая температура и влажность воздуха и т.д); n – геоботанические факторы (напочвенный покров, растительность, заболо-ченность и т.д.); p – мерзлотные условия (мощность многолетнемерзлых пород, криогенная структура, льдистость , температурный режим пород, сезонное оттаивание и промерзание); q – сейсмические и тектонические явления (уровень сейсмичности).

Набором этих же признаков можно охарактеризовать участок дороги, предназначенный для реализации определенного конструктивного реше-ния, обозначив его как . Совокупность участков с относительно од-нородными свойствами можно рассматривать как результат районирова-ния, обозначив его как линейный дорожный комплекс (ЛДК), по аналогии с природным территориальным комплексом (ПТК), принятым в термино-логии инженерного районирования.

При моделировании геоинформационных систем (ГИС) использу-ются два основных подхода к описанию пространства [35]:

− подход, основанный на структурировании пространства, т.е. вы-делении пространственных объектов, указании характера их локализации в пространстве, границ и, в некоторых случаях, взаимосвязей с другими объектами;

37

− 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, соответствую-щие этой части пространства. Это могут быть характеристики, которые принимают любые значения из заданного интервала (температура, соле-ность, количество осадков).

С другой точки зрения авторы [59,81] отмечают наличие разных под-ходов и методов к районированию по совокупности признаков. Основны-ми особенностями этих подходов является различие в учете признаков природных компонентов:

− одновременный учет всех признаков; − последовательное введение (чередование признаков) на каждой сту-

пени районирования. Исходя из этих представлений, задача линейного дорожного райони-

рования 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 неструктури-рованного представления пространства, т.е. представления трассы в виде отрезков установленной длины, на которых определены усредненные ха-рактеристики показателей, соответствующих этой части пространства (этим отрезкам трассы). При этом предусмотреть одновременный учет со-вокупности данных характеристик.

Последовательное введение (чередование признаков) от зональных к интразональным, а затем к региональным осуществляется при переходе от задачи структурирования пространства к задаче неструктурированного пространства, учитывающей линейный характер объекта районирования.

Концептуальная модель формирования ЛДК на трассе автомобильной дороги представлена в виде последовательных этапов (рис. 2.5).

На первом этапе дается общая характеристика объекта исследования по данным инженерно-геологических изысканий и климата с учетом предполагаемого взаимодействия внешней среды (ВС) и геотехнической системы автомобильной дороги (ГТС-АД).

38

Проектируемая дорога

А B

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

ОТЕ

2, 3, 5, 6 1, 4, 7, 8 9, 10, 11, 12

I

3 7

ОТЕ

Этапы

II

III

IV

V

VIЛДК ЛДКЛДК

ЛДЭ ЛДЭ

Рис. 2.5. Графическое представление концептуальной модели ЛДР

На втором этапе влияние зональных природно-климатических факто-ров на сложность дорожного строительства выявляется как функция сле-дующих характеристик компонентов природы, выступающих в качестве аргументов: среднегодовая температура воздуха, продолжительности пе-риода положительных и отрицательных температур, минимальные и мак-симальные температуры воздуха, количество и сезонное распределение осадков, высота снегового покрова, скорость промерзания грунта и т.д. Границы зон относительно трассы дороги будут определяться как точки пересечения зон действия ближайших метеостанций с трассой дороги. Данные подходы к районированию территорий использованы и достаточ-но подробно описаны в работах [5,58,59].

Итогом решения по 2-му этапу являются: границы зон (на схеме А, B) с различным комплексом природно-климатических факторов, как прави-ло, охватывающих довольно значительные территории (первый подход по классификации ГИС [35]).

Этапы 3−5 связаны с формированием линейных дорожных комплек-сов (ЛДК) с учетом интразональных факторов на основе второго подхода к описанию пространства по ГИС [35].

39

Основным структурным элементом классификации в соответствии с теорией районирования принята операционная территориальная единица (ОТЕ) [131], обладающая относительно однородными характеристиками расчетных параметров. В ряде работ ее называют операционной таксоно-метрической единицей, учитывая название «таксономического метода», положенного в основу многих способов классификации и районирования. Степень однородности показателей в ОТЕ оценивается коэффициентом вариаций. Учитывая, что основными характеристиками интразональных факторов являются показатели состояния грунтового основания, допусти-мое значение коэффиицентов вариации в составе ОТЕ принималось нами с учетом предельных значений по ГОСТ 25100-2011 и ГОСТ 20522-2012 [36, 37]: по физическим показателям – 0,15, по механическим показателям − 0,30.

Чтобы исключить излишнюю дробность при районировании линейно-го объекта протяженность ОТЕ в признаковом пространстве интразо-нальных факторов рассчитывается способом последовательного присое-динения к начальному элементу цепочки (ядру) следующих элементов с расчетом средних значений признаков по формируемой ОТЕ [131]. В ка-честве такого «ядра», названного нами линейным дорожным элементом (ЛДЭ), принято пикетное расстояние, исходя из деления трассы дороги в процессе инженерных изысканий. ЛДЭ рассматривается в качестве пер-вичного неделимого элемента, на котором значения показателей условно принимаются как конечные однородные характеристики. Процесс объе-динения ЛДЭ является эвристическим и заканчивается, как только какой-либо из признаков выходит за пределы установленного порога коэффици-ента вариаций. Показатели классификационных признаков на ЛДЭ при-нимаются по средним значениям на пикете. Процесс начинается с началь-ного пикета трассы и заканчивается, как только какой-либо из признаков выходит за пределы установленного допуска по коэффициенту вариаций − первая ОТЕ создана, переходят к следующему по порядку пикету для формирования очередной ОТЕ.

Совокупность однородных ОТЕ по длине объекта образует линейный дорожный комплекс (ЛДК). Формирование ЛДК – результат решения за-дачи интеграции: объединения ОТЕ в отдельные классы по сходству при-знаков.

Общая схема формирования ЛДК и связь параметров районирования представлены на рис. 2.6.

Алгоритм формирования ОТЕ на основе цепочки присоединяемых линейных дорожных элементов (ЛДЭ) представлен на рис. 2.7.

40

Линейный дорожный элемент

ЛДЭ

Единичный участок дороги, обладающий

набором определенных свойств, которые

условно можно считать однородными. В

качестве ЛДЭ принято пикетное расстояние

Операционная территориальная

единицаОТЕ

Линейно-протяженный участок дороги,

включающий последовательную

цепочку ЛДЭ с набором свойств,

обеспечивающих заданную степень однородности по

показателям

Линейный дорожный комплекс

ЛДК

Совокупность территориально

рассредоточенных ОТЕ, обладающих набором

относительно однородных свойств по

показателям

Фор

мир

ован

ие и

сход

ных

данн

ых

по р

езул

ьтат

ам

изы

скан

ий

Фор

мир

ован

ие о

днор

одны

х не

прер

ывн

ых

ОТ

Е

Фор

мир

ован

ие Л

ДК−

та

ксон

омич

ески

й ан

ализ

Рис. 2.6. Взаимосвязь параметров линейного дорожного районирования: ЛДЭ-ОТЕ-ЛДК

Сравнение показателейпо допускам.

Все показатели в пре-делах допуска?

Завершение процедуры

формирования ОТЕ.

Переход к первому элементу

следующей ОТЕ

Первый линейный дорожный элемент

(ЛДЭ: для формирования

ОТЕ)

Значения расчетных показателей по оси i-го

элемента (ядро классификации ОТЕ)

Назначение допусков объединения

элементов по каждому показателю

i: = i+1

Значение показателей по i+1 ЛДЭ

Объединение элементов. Расчет средних значений

показателей объединенного элемента

НЕТ

ДА

Рис. 2.7. Алгоритм формирования ОТЕ

На 6-м этапе концептуальной модели (см. рис. 2.5) выделяются харак-терные участки по региональным признакам.

41

2.3. Показатели для оценки классификационных признаков линейного

дорожного районирования

Реализация любого типа районирования рассматривается как процесс переработки информации, содержащейся в географической среде [59,111]. Авторы этих работ отмечают обстоятельство, которое принимается в ка-честве важного и необходимого допущения: на протяжении операционной территориальной единицы измеряемые характеристики находятся в тече-ние некоторого периода времени в одном и том же состоянии. Исходя из этой предпосылки операционная единица на последующих этапах райони-рования рассматривается как неделимый элемент с конечным набором признаков, полученных по результатам инженерных изысканий.

После анализа факторов ( см. рис. 2.4) необходимо составить систему показателей, характеризующих свойства объектов, явлений или процес-сов, обусловленных воздействием этих показателей на техническое со-оружение. Сила воздействия может оцениваться качественно и количест-венно реальной физической величиной. РМГ 29-2013 [92] трактует физи-ческую величину (ФВ) как одно из свойств физического объекта, в каче-ственном отношении общее для многих физических объектов, а в количе-ственном − индивидуальное для каждого из них.

Физические величины можно разделить на измеряемые и оценивае-мые. Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде опре-деленного числа установленных единиц измерения. Физические величи-ны, для которых по тем или иным причинам не может быть введена еди-ница измерения, могут быть только оценены с использованием опреде-ленной шкалы оценки. В нашей работе для определения показателей ис-пользованы как измеряемые, так и оценочные величины в виде шкалы балльных оценок.

Показатели, используемые для районирования по зональным факто-рам (этап II, см. рис. 2.5), могут быть получены прямым измерением по данным ближайших метеорологических станций, снегомерных постов или по справочной литературе. К ним относятся, в частности, среднегодовая температура воздуха, количество осадков, высота снежного покрова и т.д.

Для характеристики условий увлажненности территории используют различные показатели соотношения тепла и влаги в данной местности. М.В. Бадина [5] для целей районирования регионов Западной Сибири ис-пользовала гидротермический коэффициент (ГТК) Г.Т. Селянинова. Зна-чения ГТК, полученные для географических зон, ориентировочно распро-странены ею на дорожно-климатические зоны: II−ГТК>1,40; III−ГТК=1,00−1,40; IV−ГТК=1,00−0,50.

42

Учитывая более сложный характер изменения ГТК для I ДКЗ (изме-нение от 0,5 до 3.0 в южной части I ДКЗ по Селянинову), возможен расчет этого показателя на основе данных метеостанций по формуле [12]

ГТК = , ( 2.4)

где r –сумма осадков в мм за период со среднесуточными температурами воздуха выше 10 °С; Σ t – сумма температур за это же время , уменьшен-ная в 10 раз.

Возможно использование других показателей [12,25,40]. Так, пока-

затель увлажнения В.Г. Высоцкого представляет отношение годовой сум-мы осадков к испаряемости за этот же период Критерием физико-географического районирования в работе [40] принят показатель сухости. Под индексом сухости i согласно М.И. Будыко понимается соотношение

= i , ( 2.5) где годовой радиационный баланс подстилающей поверхности, Дж /см2год; L−скрытая теплота парообразования, Дж/кг; − осадки, см; Kр − коэффициент размерности.

При индексе сухости <0,45 климат характеризуется как избыточно

влажный; от 0,45 до 1,00 − влажный; от 1,00 до 3,00 − недостаточно влаж-ный; более 3,00 − сухой. Как утверждается в [25,40] для гидрологических исследований (а следовательно, важно и для дорожных целей) установле-но следующее приближенное соотношение между коэффициентом стока Y/P и индексом сухости R/LP:

, ( 2.6) где P – осадки, см; Y – речной сток, см; R/L ≈ Zо – испаряемость, см.

Согласно этому уравнению на основании исследований М.И. Будыко

можно заключить, что для условий тундры , где R/LP ≤ 0,3 , коэффициент многолетнего годового стока должен быть > 0,7; в лесной зоне при 0,3<R/LP ≤ 1 коэффициент стока должен иметь значение от 0,7 до 0,3.

В работе Н.Ф. Вербуха [28] рассмотрены особенности формирования радиационного баланса, расчетной величины среднемесячной приведен-ной (т.е. учитывающей испарение и радиационный теплообмен) темпера-туры воздуха, термического сопротивления для различных напочвенных покровов (лес, поле, поверхности мха и торфа) для условий Центральной

43

Якутии. Приведенные данные основаны на опытных наблюдениях и носят локальный характер. При уточнении этих показателей в процессе инже-нерных изысканий их можно учитывать для районирования в составе группы природно-климатических факторов.

Наименование и размерность показателей по зональным факторам приведены в табл. 2.1. Оценка показателей по топографическим факторам (этап III, см. рис. 2.5) выполняется как прямым измерением, так и с ис-пользованием расчетных формул, характеризующих ритм рельефа r и среднюю глубину расчленения [29]:

, ( 2.7) где r − частота чередования повышенных и пониженных точек местности, км; m − количество перегибов; L − длина профиля, км;

1... 121

+++

= +

mhhh

h m , ( 2.8)

где m – общее количество точек на профиле; h1,h2…hm+1 – разность высот двух смежных перегибов линии профиля, м; − средняя глубина расчле-нения по профилю, м.

Таблица 2.1

Показатели по зональным факторам

Показатель Размерность Средняя температура наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,98 °C

Среднегодовая температура °C Продолжительность периода отрицательных темпера-тур с

Средняя температура периода отрицательных темпера-тур °C

Продолжительность периода положительных темпера-тур с

Средняя температура периода положительных темпера-тур °C

Расчетная продолжительность летнего периода с Радиационный баланс подстилающей поверхности Дж/см2 Среднегодовое количество осадков жидких мм Среднегодовое количество осадков твердых мм Высота снежного покрова м Влажность воздуха %

44

Оценка инженерно-геологических условий, мерзлотно-грунтовой об-становки в основании земляного полотна определяется прежде всего по-казателями его деформативности. С этой целью анализируется статисти-ческий материал и выбираются методы его преобразования.

Основные расчетные показатели физических и физико-механических свойств грунтов оцениваются по инженерно-геологическим элементам (ИГЭ) продольного разреза трассы дороги по данным инженерных изы-сканий [37,91,116]. Под инженерно-геологическим элементом понимается слой, сложенный генетически однородными грунтами одного и того же номенклатурного вида, характеристики которых изменяются в выделен-ных границах незакономерно и находятся в пределах классификационных интервалов, установленных СНиП [116,119].

Для характеристики мерзлотно-грунтовых и гидрогеологических ус-ловий из-за частой изменчивости инженерно-геологических элементов (ИГЭ) по длине трассы определяют усредненные численные значения па-раметров на пикетах трассы. Принято следующее допущение : – разрез грунтовой толщи разделен на два массива, каждый из которых характери-зуется рядом физических и физико-механических свойств слагающих их грунтов. В качестве верхнего массива принят деятельный (сезоннопро-мерзающий − сезоннооттаивающий) слой. Второй массив рассматривает-ся от верхнего горизонта многолетнемерзлых грунтов (ВГММГ) до уров-ня нижней отметки скважин. Каждый из массивов может включать слои различных ИГЭ. За расчетные характеристики по выделенным массивам принимаются средневзвешенные значения показателей, рассчитанные с учетом толщины слоев ИГЭ, определенных на ЛДЭ (пикете). Между скважинами значения толщин слоев по пикетам интерполируются. Анало-гичный подход принят нормативными документами [65]. Описание по-рядка обработки результатов инженерных изысканий для целей линейного дорожного районирования приведено в работах А.А. Дубенкова [6,49,51,53].

По каждой ОТЕ по результатам инженерно-геологических изысканий представлены следующие количественные характеристики ИГЭ: плот-ность грунта, г/см3; модуль деформации, МПа; глубина сезонного промер-зания, м; уровень грунтовых вод, м; ВГММГ, м; температура на глубине 4 м, °С.

Состояние грунтов в соответствии с [37] оценивалось по трем груп-пам: связный, несвязный, мерзлый. Связные грунты (супеси, суглинки и глины) по консистенции, характеризуемой показателем текучести , раз-деляют на твердые (IL<0), полутвердые (0≤IL≤0,25), тугопластичные (0,25<IL≤0,55), мягкопластичные (0,5<IL≤0,75), текучепластичные (0,75<IL≤1,0) и текучие (IL>1,0).

45

Показатель текучести определяют по формуле [37]

, ( 2.9)

где – естественная влажность грунта на момент определения его со-стояния в естественных условиях, %; – влажность на границе раскаты-вания, %; – влажность на границе текучести, %.

Для несвязных грунтов приняты три степени водонасыщения: малой

степени, средней и насыщенные водой. Состояние многолетнемерзлых грунтов характеризуется степенью льдистости: слабольдистые, льдистые и сильнольдистые.

Состояние грунтов и пород каждого слоя по степени увлажнения из-за различных принципов расчета показателей оценивали по балльной сис-теме в виде дискретной шкалы. При отсутствии характеристики показате-ля для ОТЕ его значение принималось равным нулю. В табл. 2.2 и 2.3 от-ражены показатели состояния грунтов и их характеристики при проведе-нии таксономического анализа

Таблица 2.2

Дискретная шкала оценки состояния грунтов по степени увлажнения [37]

Вид грунтов Связные Несвязные Дисперсные мерзлые

Показатель со-стояния (кон-

систенции) Балл Степень водона-

сыщения Балл Льдистость Балл

Твердые 1 Малой степени водонасыщения (маловлажные)

1 Нельдистый 1

Полутвердые 2 Слабольдистые 2

Туго-пластичные 3

Средней степени водонасыщения

(влажные) 2 Льдистые 3

Мягко-пластичные 4 Водонасыщенные 3 Сильнольдистые 4

Текуче-пластичные 5 − − Очень сильно -

льдистые 5

Текучие 6 − − − −

46

Таблица 2.3

Показатели по интразональным факторам (геокриологическим условиям)

Показатель Размерность

Состояние связных грунтов, верхний слой Балл Состояние несвязных грунтов, верхний слой Балл Состояние связных грунтов, нижний слой Балл Состояние несвязных грунтов, нижний слой Балл Льдистость ММГ, нижний слой Балл Плотность грунта верхнего слоя кг/м3 Модуль деформации верхнего слоя МПа Плотность грунта нижнего слоя кг/м3 Модуль деформации нижнего слоя МПа Степень пучинистости верхнего слоя Балл Уровень грунтовых вод м Глубина сезонного промерзания грунтов верхнего слоя

м

ВГММГ м Температура на глубине 4 м °С Глубина расчленения м Ритм рельефа, км км

При формировании исходной информации иногда приходится счи-таться с ее доступностью и основываться на тех данных, которые доступ-ны проектировщику.

В работе [132] рекомендуется использовать специальные методы предварительной обработки исходной информации в случае прерывистой шкалы показателей («низкочастотная градация»). При этом для сглажива-ния различий информация делится на группы (ранги).

Общее информационное обеспечение отдельных этапов концепту-альной модели изображено на рис. 2.8 и связано с определенными расчет-ными характеристиками природных факторов, получаемых по результа-там полного комплекса инженерных изысканий.

Для наглядного представления и упорядочения классификационных признаков природных условий на протяжении трассы дороги использова-ны ландшафтные продольные профили [29,60]. Комплексы характерных факторов располагаются один под другим, от ведущих к ведомым, образуя вертикальный профиль. Пример ландшафтного продольного профиля уча-стка автомобильной дороги, по результатам инженерных изысканий, представлен на рис. 2.9.

47

Этап I. Общая характеристика объекта по данным инженерных

изысканий

Этап II. Районирование трассы дороги по зональным природно-климатическим факторам

Этап III. Обоснование параметров классификации на основе инженерно-геологических изысканий Оценка показателей по линейным дорожным элементам (ЛДЭ)

Этап IV. Формирование операционных территориальных единиц (ОТЕ)

Этап V. Реализация агломеративного иерархического алгоритма, формирование ЛДК

Этап VI. Выделение характерных участков по региональным признакам (микрорайонирование)

ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ: среднегодовая температура воздуха, продолжительности периодов положительных и отрицательных температур, минимальные и максимальные температуры воздуха, количество и сезонное распределение осадков, солнечная активность, испарение, высота снегового покрова, степень увлажненности территории и др.

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ, ГЕОКРИОЛОГИЧЕКИЕ ФАКТОРЫ:- рельеф местности, деформационные и прочностные показатели грунтов, плотность, состояние по текучести связных грунтов, водонасыщение несвязных грунтов, пучинистость; уровень и характеристика грунтовых вод;- мерзлотные условия: мощность многолетнемерзлых пород, криогенная структура, льдистость, температурный режим пород, сезонное оттаивание и промерзание

РЕГИОНАЛЬНЫЕ ФАКТОРЫ :– топографические условия (пологий или крутой склон определенной экспозиции, долина ручья, лог и т.д.); геоботанические факторы (напочвенный покров, растительность, заболоченность и т.д.); – сейсмические и тектонические явления (уровень сейсмичности)

Рис. 2.8. Блок-схема информационного обеспечения

концептуальной модели ЛДР на ММГ

48

Номер скважины С-25 С-26 С-27 С-28 С-29 Уровень ВГВМГ ,м 3,8 4 3,3 3,2 2,4 Температура на глубине 4 м, °С -1,2 -1 -1,3 -1,3 -1,4

Толщина растительного слоя, м 0 0 0,3 0,3 0,3

ИГЭ растительного слоя - - 1 1 1 1-й слой грунта

Толщина слоя, м 1,4 1,3 1,2 1,6 2,1 ИГЭ 2 2 17 5 11 Состояние по влажности 1 1 4 5 1

Вид грунта

Супесь песча-нистая твердая

Супесь пес-чанистая твердая

Суглинок легкий пыле-ватый теку-

чеплас-тичный

Песок мел-кий плот-

ный, насы-щенный во-

дой

Супесь песчанис-тая твер-

дая

Плотность грунта, г/см3 1,65 1,65 2,06 1,6 1,65 Модуль деформации, МПа 16,0 16,0 5,0 38,0 16,0 Условное сопротивление, МПа 3,0 3,0 - 2,0 3,0

Коэффициент пористости 0,65 0,65 0,54 0,55 0,65 Группа грунта по степени пучинистости 3 3 3 4 3

2-й слой грунта …

Параметры нижележащих слоев

Рис. 2.9. Фрагмент ландшафтного профиля участка автомобильной дороги

49

2.4. Математическое моделирование и алгоритмы классификации линейных дорожных комплексов

Математическое моделирование классификации ЛДК направлено на разделение трассы дороги на участки с относительно однородными кли-матическими и геокриологическими условиями, т.е. модели классифика-ции – это первая ступень в комплексе моделирования проектных решений земляного полотна на ММГ.

Математико-географическое моделирование (МГМ) представляет со-бой сложный многоэтапный исследовательский процесс, который в работе [132] представлен в виде единой системы количественных методов авто-матизированного районирования и классификации (ЕСМАРК). Схема ЕСМАРК представлена на рис. 2.10. Предложенная система позволяет увязать отдельные звенья (этапы): цель – исходная информация – метод – результат. Для инженерного районирования вполне приемлем такой под-ход к математическому моделированию, тем более авторы отмечают, что на основе полученных результатов можно осуществлять формальный или неформальный выбор. Окончательный выбор определяется искусством, опытом специалиста, ведущего инженерное районирование. Авторы [132] в то же время отмечают, что выбор определенного типа модели путем на-бора отдельных модулей требует содержательного (концептуального) обоснованного подхода. Такой концептуальный принцип сформулирован нами в подразделах 2.2 и 2.3.

На втором этапе концептуальной модели (см. подраздел 2.2) на осно-ве общей характеристики объекта и района строительства решается задача разграничения зон действия ближайших к дороге метеостанций по зо-нальным климатическим факторам. С точки зрения системы ЕСМАРК (см. рис. 2.10) этот подход в самом общем виде можно определить набо-ром следующих блоков модели ЕСМАРК: 1 − выбор объектов и признаков районирования; 2 − многомерное шкалирование, нормирование призна-ков; 3 − классификация по функционалу качества; 4 − оценка результатов методом аддитивного случайного поля.

Для решения данной задачи принята методика, разработанная М.В. Бадиной, С.В. Ефименко, В.Н. Ефименко [5, 58, 59] для районирования территорий Западной Сибири. Аналогичный подход использован Ю.В. Коденцевой [73] для районирования территорий регионов по условиям зимнего содержания.

50

Рис. 2.10. Единая система количественных методов районирования (ЕСМАРК) [132]

51

Набор признаков и показатели для зонального районирования терри-тории с ММГ определены в подразделе 2.3 (см. табл. 2.1). Важным пара-метром моделирования является выбор комплексного показателя, по кото-рому осуществляется процесс районирования и оформляются его итоги. Например, в работах В.Н. Ефименко, М.В. Бадиной [5,58] в качестве пока-зателя районирования ряда территорий Западной Сибири на зоны и под-зоны обоснован выбор в качестве «ведущего фактора» расчетной влажно-сти глинистых грунтов, преобладающих на рассматриваемых территори-ях. На основе факторного анализа определена ведущая роль этого показа-теля, выявлены его связи с различными по своей природе зональными, ин-тразональными и региональными факторами.

В качестве главного фактора районирования по климатическим пока-зателям нами принята так называемая многокритериальная функция «по-лезности» f, которая позволяет привести многокритериальную задачу к однокритериальной путем свертки n критериев в один обобщенный [93, 104]. При этом векторная оценка i-го объекта за-меняется скалярной оценкой ) , которая используется для упоря-дочения N объектов в n-мерном пространстве с помощью одномерной сортировки.

Для зонального районирования принята аддитивная свертка климати-ческих показателей на каждой метеорологической станции. В общем слу-чае она выражается следующей формулой [93]:

y*= f(y) = , ( 2.10)

где y* − обобщенный показатель (свертка исходных климатических пока-зателей); – среднее значение j-го показателя за период наблюдений;

– показатель, равный максимальному значению по шкале для j-го пока-зателя; весовой коэффициент (вес) j-го показат еля, пропорциональ-ный его значимости.

В случае однородности (равнозначности) критериев , для уст-ранения различия между весовыми коэффициентами в формуле (2.10)

принимается . При этом формула (2.10) сводится к формуле вы-числения среднеарифметического значения выборки критериев и примет вид [93]

y* , (2.11)

где , – соответственно минимальное и максимальное значе-ние j-го критерия.

52

Природно-климатические факторы, включаемые в формулу (2.11), должны быть проверены на мультиколлинеарность по стандартной мето-дике [128]. Для определения независимости факторов строится матрица парных коэффициентов корреляции с использованием Excel: «Сер-вис/Анализ данных/Корреляция». По шкале Чеддока связь между факто-рами признается сильной при коэффициенте корреляции Для исключения мультиколлинеарности между факторами используется эмпи-рический подход [128], представленный следующим условием:

(2.12)

Если данная система неравенств выполняется, то оба фактора xi и xj

включаются в модель. При невыполнении хотя бы одного из неравенств из модели исключается фактор xi или xj , имеющий менее тесную связь с ре-зультирующим показателем y. Вопросы о нормальном законе распределе-ния и независимости климатических (зональных) факторов исследовались в работах М.В Бадиной [5] и Ю.В. Коденцевой [73] и приняты нами на ос-нове выполненных ими исследований.

Территориальное разделение зон действия климатических факторов осуществляется с помощью методов оценки аддитивного случайного поля [24, 59], уравнение которого имеет вид

ε+= ),( yxfи , ( 2.13)

где и – значение обобщенного показателя по климатическим факторам для каждой метеостанции; f(x,y) – неслучайная часть поля (функция коорди-нат); х,у – координаты точки земной поверхности наблюдения (метео-станций); ε − случайные, неконтролируемые отклонения поля от f(x,y), не зависимые от координат х, у.

В соответствии с описанием алгоритма [59] определяют главный фак-тор, выделяют однородные участки путем построения регрессионной мо-дели . Экспериментальные значения переменных есть компоненты вектора F, а экспериментальные значения переменных x и y являются координатами опорных пунктов в некоторой системе геоде-зических координат.

Предполагают, что главный фактор задает на поверхности непрерыв-ное поле , где функция для двух переменных в окрестности любой точки считается разложимой в сходящийся к ней ряд Тэйлора.

53

Исходные факторы на большей части территории изменяются плавно, а границы резких изменений значений факторов, задаваемых величиной ε, занимают площадь не более 5 % от площади территории. Поэтому в каче-стве аналитического выражения для главного фактора авторами [24, 59] обосновано применение полинома

. (2.14)

Этот полином аппроксимирует функцию не на всей поверхно-

сти, а только в некотором круге. Помимо главного фактора F известны значения относительных координат xi и yi (i=1,…, n) опорных пунктов (метеостанций) со своими координатами. Следовательно, неизвестные коэффициенты akl могут быть определены методом наименьших квадратов (МНК), основной смысл которого заключается в минимизации суммы квадратов отклонений наблюдаемых значений зависимой переменой z от значений, предсказанных моделью, т.е. в минимизации функции потерь следующего вида :

, (2.15) где – наблюдаемые значения главного фактора; – предсказан-ные моделью множественной нелинейной регрессии значения.

Оценка параметров моделей производится стандартными методами математической статистики. Для получения границ однородных террито-рий по главному фактору с помощью построенной модели не-обходимо знать значения переменной z, отделяющие одну однородную территорию от другой. Линии уровня, соответствующие главному факто-ру, делят территории на зоны. Пересечения этой линии с трассой дороги делит ее на зоны влияния по зональным факторам.

Данная процедура реализуется в программе «Mathematica 5.2». Ранее такой подход использовали в своих работах М.В. Бадина, Т.В. Боброва, Ю.В. Коденцева [5,18,73]. М.В. Бадиной [5] доказана адекватность описа-ния границ районов по зональным факторам полиномиальной моделью вида (2.14).

Эта схема принята и в нашей работе, однако критерии зонирования и способы сокращения размерности факторов меняются в зависимости от целей районирования.

При отсутствии достаточных данных для проведения районирования по зональным факторам на малоизученных территориях в качестве перво-го приближения можно использовать существующие границы дорожно-климатического районирования, например, по данным [42]. Если по ре-зультатам изысканий участок дороги относится к зоне действия одной ме-

54

теостанции, этот этап исключается, а исходные данные для дальнейших проектных решений принимаются по результатам изысканий.

Обобщенный алгоритм дифференциации территории по зональным факторам представлен на рис. 2.11.

Постановка задачи дифференциации территории. Выбор объектов наблюдения (метеостанций, снегомерных постов) и климатических (зональных) показателей районирования

Расчет и формирование исходной информации в условиях неопределенности в виде дискретного множества

Блок

1Бл

ок 2

Стандартизация информации (нормирование)

Аддитивная свертка стандартизированных показателей Блок

3

Пространственная увязка показателей по пунктам наблюдения с использованием модели аддитивного случайного поля. Полиномиальная модель с использованием нелинейной регрессии

Блок

4

ПРИ

НЦ

ИП

ДИ

ФФ

ЕРЕН

ЦИ

АЦИ

И

Рис. 2.11. Блок-схема районирования по зональным факторам

Рассмотрим математическую модель 3 − 5 этапов концептуальной

модели (подраздел 2.2, рис. 2.5) с позиции ЕСМАРК (см. рис. 2.10). Фор-мирование однородных участков по длине дороги по интразональным факторам соответствует интеграционной форме инженерного райониро-вания. Если руководствоваться схемой ЕСМАРК, то обобщенный алго-ритм классификации по интразональным факторам можно представить в виде последовательности этапов (рис. 2.12). Учитывая цели поставленной задачи ЛДР в зоне многолетнемерзлых грунтов, предполагается использо-вание комплекса специальных математических моделей и методов обра-ботки информации.

В качестве наиболее соответствующего цели линейного районирова-ния в условиях ММГ выбран метод автоматического районирования (АР), который разработан в рамках теории распознавания образов, одного из разделов технической кибернетики [35,132]. Предлагаемые на его основе частные методики классификации имеют ряд сильных сторон, обеспечи-

55

вающих им преимущества по сравнению с другими методами классифи-каций, в том числе отсутствие ограничений на число анализируемых при-знаков, характеризующих объекты группировки.

Постановка задачи. Формулировка цели. Выбор объектов наблюдения и признаков районирования

Подготовка исходной информации на принципах многомерного шкалирования

Стандартизация информации (нормирование)

Блок

1Бл

ок 2

Вычислительная схема : матрица

Мера сходства: «евклидово расстояние»

Блок

3

Оценка вариантов интеграции: формальная и неформальная. Группировка таксонов Бл

ок 4

ПР

ИН

ЦИ

П И

НТЕ

ГРА

ЦИ

И

Оценка результатов классификации по функционалу качества

Рис. 2.12. Блок-схема районирования по интразональным факторам

Для целей автоматического районирования в нашей задаче объектами являются ОТЕ. Их состояние формально описывается путем задания на-бора показателей. Они могут быть количественными, качественными, балльными (ранговыми) и т.д. Исходным материалом для оценки служит выражение каждого показателя в натуральном виде, соответствующем размерности по непрерывной шкале (см. табл. 2.3).

При включении показателей в модель выполняется проверка факто-ров на мультиколлинеарность так же, как и в случае районирования по зо-нальным факторам. Исходная информация представляется в виде прямо-угольной матрицы [54]:

=

nmxnx

mxxХij

.....1

.......1....11

,

==

mjni

,...,2,1,...,2,1 , ( 2.16)

где число строк равно количеству принятых показателей районирования (i = 1,2,…,n), а количество столбцов (j=1,2,…,m) соответствует числу опе-

56

рационных территориальных единиц (ОТЕ), сформированных на данном объекте.

Для устранения влияния размерности в матрице признаки приводят к стандартной форме (нормируют), т.е. переходят от векторных оценок к скалярным оценкам :

, (2.17)

где − соответственно максимальное, минимальное и среднеарифметическое значение j-го признака на i-м объекте.

Стандартизированные данные задают в виде новой матрицы и харак-теризуют нулевым математическим ожиданием и дисперсией, равной еди-нице.

Для перехода от множества исходных показателей к единственному, по которому следует различать операционные территориальные единицы (ОТЕ), принят агломеративный иерархический алгоритм [132], идея кото-рого состоит в последовательном объединении объектов, сначала наибо-лее близких, а затем все более отдаленных друг от друга. Заключительным этапом алгоритма является объединение всех анализируемых объектов в один класс. В процессе проведения расчетов возможен промежуточный анализ получаемых данных. Процесс действия иерархической процедуры объединения наблюдений в классы можно геометрически представить в виде графа типа «агломеративное дерево» (рис. 2.13) [1]. Между уровнями графа существует логическое соотношение: элементы уровня низшего порядка включаются как составляющие в массивы элементов более высо-кого уровня.

Каждая вершина дерева изображает класс объектов. Под иерархиче-ским деревом понимается последовательность пар

где – строго возрастающая последователь-ность: − разбиение объектов на классы, соответствующие уровню

На первом уровне каждая ОТЕ представляет собой от-дельный класс.

57

Рис. 2.13. Геометрическое представление таксономического анализа

в виде «иерархического дерева» [1] Обозначим список учитываемых признаков с указанием множества

значений, принимаемых каждым из них, через , список классов, которые нужно различать, через , решающее пра-вило через D. Тогда в соответствии со схемой, предложенной Н.Г. Заго-руйко [61], классификационная задача формулируется следующим обра-зом: разделить совокупность ОТЕ, заданных набором характеризующих их значений признаков, на однородные группы (таксоны), т.е. при задан-ных значениях Х и D найти S:

SDХ →),( . ( 2.18)

В качестве меры сходства/различия между двумя объектами Xxx ki ∈, в n-мерном нечетком пространстве признаков используется евклидово расстояние между объектами xi и xk , вычисляемое по формуле [93]

∑=

−=n

jkjijki xxxxd

1

2))()((),( µµ , (2.19)

где ),( ij xµ )( kj xµ – меры обладания j-м свойством соответственно i-го и k-го объектов.

В качестве объектов в нашем случае рассматриваются операционные территориальные единицы. Свойствами ОТЕ принята совокупность пока-зателей по геокриологическим характеристикам грунтовых оснований на ОТЕ (см. рис. 2.8). Евклидово расстояние используется в случае, когда компоненты вектора наблюдений взаимно независимы, однородны по своему физическому смыслу, и все они важны с точки зрения отнесения объекта к тому или иному классу. В этом случае факторное пространство

58

совпадает с понятием геометрической близости в этом пространстве. Не-зависимость показателей оценивалась коэффициентами парной корреля-ции. Для оценки качества разбиения на классы нами проанализированы и приняты рекомендации работы [35], которые ранее использовались для целей классификации в работах [18, 73]. В соответствии с [35] функцио-нал качества классификации отображает проекцию всех систем классов на действительную прямую . При этом используют следующие показатели : Q1 – сумму попарных внутриклассовых расстояний, характеризующую внутриклассовый разброс наблюдений; Q2 – сумму попарных межклассо-вых расстояний, которая характеризует меру удаленности (близости) классов. Данные функционалы формируются на каждом шаге объедине-ния ОТЕ и рассчитываются по формулам

(2.20)

где − число классов в классификации, – число объектов в классе l. Суммирование происходит так, что i принимает все значения от 1

до , а j – для каждого i все значения больше i; − евклидово рас-стояние между объектами Xi и Xj ;

(2.21)

где – евклидово расстояние между классами . Суммирование производится так, что i принимает все значения от 1 до К, а значения j для каждого i выбираются так, чтобы они были больше i.

При решении задачи классификации функционал Q1 нужно миними-зировать, т.е. стремиться к максимальному сходству ОТЕ в пределах од-ного класса, а Q2 наоборот максимизировать, т.е. добиваться максималь-ного различия классов между собой.

В итоге можно принимать то количество классов, при котором

. (2.22)

Выражение (2.22) является только ориентиром для анализа и приня-тия окончательного решения о количестве классов. В каждом отдельном случае вопрос решается индивидуально. В процессе реализации алгоритма при наличии в выборке аномальных наблюдений (т.е. таких, которые су-щественно отличаются по своим значениям показателей от остальных ОТЕ) их следует поместить в отдельные классы, формируемые с учетом

59

региональных признаков. Остальные группы ОТЕ создадут общий класс. Излишнее дробление на классы нецелесообразно для проектирования и организации работ по участкам. Далее в подразделе 2.5 описан пример классификации для конкретного объекта по результатам инженерных изы-сканий и приведены соответствующие пояснения. Алгоритм классифика-ции ЛДК по интразональным факторам применительно к цели линейного дорожного районирования в условиях ММГ, сформулированной в подраз-деле 2.1, представлен следующими укрупненными этапами:

− содержательная постановка задачи, определение цели классифи-кации;

− разработка ландшафтного дорожного профиля трассы [29,60]; − определение групп признаков (факторов) и показателей оценки; − определение качественных и количественных характеристик по-

казателей по группам признаков на ОТЕ; − формирование информационного массива на основе инженерных

изысканий по ОТЕ; − реализация интегрального принципа инженерно-географического

районирования на основе агломеративного иерархического алгоритма. − анализ результатов. Формирование однородных участков по со-

вокупности природных признаков. В табл. 2.4 представлена математическая постановка последова-

тельного решения задачи по всем этапам ЛДР. Приведены данные про-граммного обеспечения расчетов.

2.5. Реализация моделей линейного районирования

и оценка их адекватности в условиях ММГ

Реализация методики ЛДР рассмотрена применительно к автомо-бильной дороге М 56 «Лена» от Невера до Якутска км 93 - км 123. При описании района изысканий приведены только самые основные характе-ристики. Согласно административно-территориальному делению трасса автомобильной дороги проходит по территории Тындинского района Амурской области. Исходные данные были получены на основе инженер-ных геологических изысканий по трассе дороги (научно-технический от-чет ОАО «ИркутскгипродорНИИ» на основании технического задания, выданного ЗАО «Транспроект», 2010 г.). Трасса проходит в зоне практи-чески сплошного распространения многолетней мерзлоты – до 95 % пло-щади.

60

60

Т

абли

ца 2

.4

Мет

одик

а ав

том

атиз

иров

анно

го л

иней

ного

дор

ожно

го р

айон

иров

ания

Ном

ер

этап

а Н

аиме

нова

ние

этап

а Ра

счет

ные

пара

метр

ы и

осн

овны

е фо

рмул

ы

Мет

од р

асче

та,

прог

рамм

а П

ЭВМ

1

Изу

чени

е ма

тери

алов

отч

е-та

по

инж

енер

ным

изы

ска-

ниям

авт

омоб

ильн

ой д

орог

и

MS

Exce

l, A

utoc

ad

2 П

одго

товк

а ин

форм

ации

по

блок

у кл

имат

ичес

ких

фак-

торо

в. О

браб

отка

и о

цени

-ва

ние

стат

исти

ческ

их

дан-

ных

по п

оказ

ател

ям, х

арак

-те

ризу

ющ

им к

лима

тиче

ские

па

раме

тры

ок

руж

ающ

ей

сред

ы

j-е

клим

атич

ески

е па

раме

тры

по

i-м м

етео

стан

циям

.

,

где

y* − о

бобщ

енны

й по

каза

тель

рай

онир

ован

ия;

знач

ение

j-г

о по

каза

теля

; ,

– с

оотв

етст

венн

о ми

нима

льно

е и

макс

и-ма

льно

е зн

ачен

ия j-

го к

рите

рия

за

пери

од н

аблю

дени

я

MS

Exce

l, оп

ерац

ии c

мат

-ри

цами

в

Mat

hem

atic

a 5.

2

3 Ра

згра

ниче

ние

зон

дейс

твия

кл

имат

ичес

ких

факт

оров

по

трас

се д

орог

и. О

ценк

а фа

к-то

ров

по п

оказ

ател

ям к

аж-

дой

зоны

, гд

е и

– зн

ачен

ие о

бобщ

енно

го п

оказ

ател

я по

кли

мати

ческ

и фа

ктор

ам

для

каж

дой

мете

оста

нции

; f(x

,y) –

нес

луча

йная

час

ть п

оля

(фун

кция

ко

орди

нат)

; х,у

– к

оорд

инат

ы т

очек

наб

люде

ния

(мет

еост

анци

й);

−

случ

айны

е, н

екон

трол

ируе

мые

откл

онен

ия п

оля

от f(

x,y)

, не

зави

си-

мые

от к

оорд

инат

х,у

. .

О

пред

елив

коэ

ффиц

иент

ы

, с

троя

т гр

афик

и ли

ний

для

инте

-гр

альн

ых

фун

кций

по

мете

оста

нция

м, к

отор

ые

и бу

дут

явля

ться

гра

-ни

цами

кли

мати

ческ

их зо

н по

пер

емен

ной

Нел

иней

ная

рег-

ресс

ия.

«Mat

hem

atic

a 5.

2»,

Stat

istic

a 6.

0

61

61

Око

нчан

ие т

абл.

2.4

Но-

мер

этап

а Н

аиме

нова

ние

этап

а Ра

счет

ные

пара

метр

ы и

осн

овны

е фо

рмул

ы

Мет

од р

асче

-та

, про

грам

ма

ПЭВ

М

4 Ф

орми

рова

ние

ОТЕ

по

длин

е уч

астк

а в

каж

дой

клим

атич

е-ск

ой з

оне.

Оце

нка

пока

зате

-ле

й по

пик

етам

, ус

редн

ение

па

раме

тров

в г

рани

цах

ОТЕ

Х ijk

np −

опе

раци

онна

я та

ксон

омич

еска

я ед

иниц

а (О

ТЕ).

Эле

мент

ный

учас

ток

доро

ги с

наб

ором

опр

едел

енны

х по

каза

теле

й по

при

знак

ам:

i – т

опог

рафи

ческ

ие у

слов

ия;

j – г

еомо

рфол

огич

ески

е ус

лови

я; k

− г

ид-

роло

гиче

ские

усл

овия

; n

– г

еобо

тани

ческ

ие ф

акто

ры;

p –

мерз

лотн

ые

усло

вия

MS

Exce

l

5 П

одго

товк

а и

ввод

пок

азат

е-ле

й по

О

ТЕ

в на

тура

льно

й фо

рме,

ст

анда

ртиз

ация

да

н-ны

х.

Ста

ндар

тизи

рова

нны

е да

нны

е в

виде

нов

ой м

атри

цы х

арак

-те

ризу

ютс

я ну

левы

м ма

тема

-ти

ческ

им о

жид

ание

м и

дис-

перс

ией,

рав

ной

един

ице

–

зна

чени

я j-г

о по

каза

теля

на

i-й О

ТЕ в

нат

урал

ьной

фор

ме, с

о-от

ветс

твую

щей

раз

мерн

ости

по

непр

еры

вной

шка

ле.

,

где

max

, m

in

, −

соот

ветс

твен

но м

акси

маль

ное,

мин

имал

ьное

и

сред

неар

ифме

тиче

ское

знач

ения

j−го

при

знак

а на

i−м

объе

кте

(ОТЕ

)

MS

Exce

l-

норм

иров

а-ни

е,

T-A

naly

sis

–та

ксон

омич

ес-

кий

анал

из

6 Ра

счет

ме

р бл

изос

ти

меж

ду

ОТЕ

по

сово

купн

ости

кла

с-си

фика

цион

ных

приз

нако

в.

Пре

обра

зова

ние

ма

триц

ы

«при

знак

-ОТЕ

» в

матр

ицу

«ОТЕ

-ОТЕ

».

Пос

редс

твом

вы

числ

ения

ме

р бл

изос

ти

(2.1

9) и

сход

ная

матр

ица

приз

нак-

ОТЕ

(2.

16)

прео

браз

уетс

я в

матр

ицу

близ

ости

меж

ду

ОТЕ

. Мат

рица

рас

стоя

ний

меж

ду о

бъек

тами

(О

ТЕ),

посл

едов

ател

ьное

объ

един

ение

ОТЕ

в

клас

сы (т

аксо

ны)

=

nndnd

nd

nd

dd

nd

dd

ijD

......

21

.....

......

.....

....

2...

...22

21

1...

...12

11

MS

Exce

l,

T-A

naly

sis

с ис

поль

зова

-ни

ем

агре

га-

тивн

ого

алго

-ри

тма

7 П

оэта

пное

фо

рмир

ован

ие

такс

онов

и

оцен

ка

каче

ства

аг

реги

рова

ния.

За

верш

ение

ра

счет

ов с

соз

дани

ем Л

ДК

крит

ерий

ка

чест

ва

агре

гиро

вани

я,

см.

форм

улы

(2.2

0 –

(2.2

2)

MS

Exce

l,

T-A

naly

sis

;

62

По сложности мерзлотно-грунтовых условий участок автодороги от-несен к сложным, район изысканий автодороги входит в I дорожно-климатическую зону. Типы местности по условиям увлажнения – 1, 2 и 3.

Глубокое сезонное промерзание составляет от 2,4 м до 3,5 м. Средне-годовая температура грунта на подошве сезонно-талого слоя не принимает положительных значений, наибольшие значения температуры − 0,5 °С, многолетнемерзлые грунты являются высокотемпературными. В геологи-ческом отношении район представлен отложениями четвертичного воз-раста в виде делювиальных, элювиально-делювиальных и аллювиальных образований различного генезиса (супесчано-суглинистые, дресвяно-щебенистые и гравийно-галечниковые грунты, пески, супесчано-суглинистые грунты с примесью органики и торфа).

Таким образом, по результатам инженерных изысканий на стадии проектно-изыскательских работ определены характеристики местности и естественные геокриологические условия района прохождения трассы (дорожно-климатическая зона − I2; ландшафт − лесотундра; распростра-нение многолетнемерзлых грунтов − сплошное; температура грунтов на границе нулевых годовых амплитуд ниже − 1,5 °С; мощность сезонно-талого слоя в приделах 0,6-2,5 м; мерзлые и криогенные процессы и яв-ления – заболачивание, криогенные льды; грунты II и III категории про-садочности, высокотемпературные; тип местности по условиям увлажне-ния – 1, 2 и 3). По комплексу природно-климатических факторов трасса принадлежит к одному району, зональное районирование не предусмотре-но.

На участке длиной 28 км на основе объединения пикетов выделено 37 ОТЕ. В качестве характеристик ОТЕ приняты показатели физических и физико-механических свойств грунтов по 22 инженерно-геологическим элементам (ИГЭ).

По каждой ОТЕ по результатам инженерно-геологических изысканий представлены следующие количественные характеристики ИГЭ: плот-ность грунта, г/см3, модуль деформации, МПа, отдельно для сезонно-тающего слоя (СТС) и массива нижележащих слоев, включая многолетне-мерзлые грунты. Значения показателей рассчитывались как средневзве-шенные по толщине слоев ИГЭ в грунтовых массивах. Значения показа-телей по каждому из факторов для дороги протяженностью 28 км и для одного из ЛДК протяженностью 4,6 км представлены в табл. 2.5.

При реализации таксономического метода выделено шесть относи-тельно однородных классов (ЛДК), объединивших территориально ра-зобщенные ОТЕ. На рис. 2.14 представлены средние значения коэффици-ентов вариации по 16 показателям по участку дороги протяженностью 28 км, среднее значение по шести сформированным таксонам, средние зна-

63

чения по каждому из шести таксонов. Наибольший разброс данных при включении в таксоны наблюдался по показателям средней температуры на глубине 4 м.

Таблица 2.5

Значения показателей, характеризующих инженерно-геологические условия на трассе участка автомобильной дороги «Лена»

Показатель, ед.изм.

Значение показателя

Участок дороги, 28 км

ЛДК № 2, 4,5 км (объе-динение ОТЕ по степе-ни однородности пока-

зателей) µ σ v µ σ v

Данные по сезоннопромерзающему массиву Состояние связных грунтов, балл 0,81 0,910 1,198 0 0 0 Состояние несвязных грунтов, балл 0,51 0,837 1,631 1,67 0,580 0,346

Плотность грунта, г/см3 2,10 0,252 0,120 1,76 0,064 0,036 Модуль деформации, МПа 43,68 16,627 0,381 36,66 5,756 0,157 Степень пучинистости, балл 2,05 1,332 0,649 1 0 0 Глубина сезонного промерзания грунтов, м 3,12 0,362 0,116 3,40 0,238 0,070

Уровень грунтовых вод , м 2,34 2,651 1,135 2,40 1,082 0,451 Данные по массиву многолетнемерзлых грунтов

ВГММГ, м 5,65 3,987 0,705 2,70 0,886 0,328 Температура на глубине 4 м, °С -0,53 -0,605 1,136 -0,80 -0,500 0,625 Состояние связных грунтов, балл 0,49 1,387 2,851 2,60 0,736 0,283 Состояние несвязных грунтов, балл 0,24 0,596 2,452 0 0 0

Льдистость ММГ, балл 0,81 0,967 1,193 1,25 0,225 0,180 Плотность грунта, г/см3 2,18 0,309 0,142 1,83 0,029 0,016 Модуль деформации, МПа 40,56 26,874 0,663 45.50 2,138 0,047

Общие характеристики рельефа Глубина расчленения, м 12,28 17,116 1,393 26,57 7,386 0,278 Ритм рельефа, км 0,40 0,224 0,564 0,45 0,112 0,248 Среднее значение коэффициен-та вариаций − − 1,016 − − 0,191

Примечание. µ, σ,. v – соответственно математическое ожидание, среднеквадратиче-ское отклонение, коэффициент вариаций по показателям. Состояние связных, несвяз-ных грунтов по влажности и мерзлых грунтов по льдистости оценивалось в баллах по дискретной шкале (см. табл. 2.2).

64

Рис. 2.14. Коэффициенты вариаций показателей инженерно-геологических изысканий по участку трассы дороги «Лена»:

1 − общее значение по участку; 2 − среднее по выделенным ЛДК; 3-8 – значения по каждому из шести ЛДК

Средний коэффициент вариаций по показателям дороги составил

1,02, по сформированным ЛДК изменяется от 0,19 до 0,4, среднее значе-ние по ЛДК − 0,3. То есть средний коэффициент вариаций, характери-зующий однородность показателей на участках ЛДК, снизился более чем в 3 раза по сравнению со средним значением на дороге.

Примеры линейного дорожного районирования на объектах в I ДКЗ, приведенные в данном подразделе и в прил. 1, свидетельствуют о том, что в процессе моделирования исходные данные не искажаются, а только упорядочиваются определенным образом, при создании классов (таксо-нов) однородных по совокупности показателей.

Адекватность моделей инженерного районирования оценивается по следующим направлениям:

− оценка качества разбиения на классы в процессе моделирования; − оценка степени однородности показателей районирования на

ЛДК; − верификация модели районирования с точки зрения повторяемо-

сти для разных условий и объектов районирования; − сопоставление значений показателей, характеризующих геокрио-

логические условия на трассе дороги по результатам изысканий, с соот-ветствующими значениями показателей, полученных в результате моде-лирования при районировании трассы дороги.

Рассмотрим каждое из этих направлений применительно к предло-женной методике линейного дорожного районирования.

ЛДК

65

Направление 1. В процессе моделирования постоянно оцениваются его результаты с оценкой меры близости показателей внутри класса и ме-жду классами. Внутриклассовый разброс должен стремиться к минимуму, межклассовый – к максимуму. Разница между ними является критерием оптимальности и стремится к максимуму. Данная оценка качества рай-онирования [35] использована нами в математической постановке задачи классификации формул (2.18)− (2.22) − и в процессе ЛДР. Кроме такой формализованной оценки используется дополнительный анализ в процес-се итераций, позволяющий получить логически непротиворечивый уро-вень разбиения на классы применительно к цели районирования, так как на заключительной стадии агрегативного иерархического алгоритма все классы соединяются в один. В практических расчетах ЛДР на ММГ коли-чество итераций для получения результата составляло 10 − 20 и менялось в зависимости от количества ОТЕ и статистической неоднородности дан-ных.

Направление 2. В качестве оценки степени однородности значений показателей на ЛДК принят коэффициент вариаций. В соответствии с ГОСТ 20522-2012 [ 36] степень однородности инженерно-геологических элементов (ИГЭ) принимается для физических значений 0,15, для механи-ческих − 0,3. Только на пикетном расстоянии (ЛДЭ) значения показателей районирования принимались по средним значениям, но при формирова-нии ОТЕ линейные дорожные элементы (ЛДЭ) соединялись с учетом ука-занных ограничений по коэффициентам вариаций значений показателей. По результатам формирования ЛДК 85 − 97 % показателей из общего числа, принятого в расчетах, имели коэффициенты вариации в этих пре-делах. Такой вывод можно сделать, анализируя данные результатов рай-онирования на объектах (см. прил. 1).

Направление 3. В тех случаях, когда невозможно дать оценку адек-ватности путем сопоставления данных моделирования и эксперимента (например в экономических исследованиях), используют понятие верифи-кации модели. Понятие верификации имеет несколько смысловых значе-ний, в том числе предполагает повторяемость расчетов и их сопоставле-ние на разных объектах. Использование методики ЛДР на трех объектах (в данном подразделе и прил. 1) в условиях I ДКЗ доказывает адекват-ность моделирования для формирования ЛДК по результатам инженерных изысканий в условиях ММГ. При разных исходных данных по результа-там изысканий и разным условиям природной среды результаты райони-рования показывали, что на ЛДК значение однородности показателей зна-чительно повышается и не превышает допустимых значений коэффициен-та вариаций не менее чем по 85 % показателей.

66

Как показал опыт использования методики на объекте Железнодо-рожная линия Хани (ИКАБЬЕКАН) – ТАРЫННАХСКИЙ ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫЙ комбинат (см. прил. 1), превышение коэффициента вариаций по отдельным показателям на участках ЛДК чаще всего связано с региональными факторами. В этом случае ОТЕ исключается из набора участков на ЛДК. Проектные решения в этом случае принимаются как ин-дивидуальные с учетом следующей ступени районирования (по регио-нальным факторам).

На первый взгляд создается впечатление, что было сделано несколько лишних шагов объединения ОТЕ. Однако дополнительный анализ, сопос-тавление данных в таблицах и результатов изысканий на ландшафтном профиле дают возможность провести более детальное разделение участ-ков. По данным попикетного анализа сразу видны участки со значитель-ными отклонениями по какому-то одному критерию. Так, в вышеприве-денном примере по показателю ВГММГ коэффициент вариаций на ЛДК 10 составил 1,13. Включенный в ЛДК 10 участок ПК 576−578 относится к мостовому переходу (пересечение реки), т.е. характеризует региональный параметр районирования. При исключении данного участка из ЛДК 10, коэффициент вариаций по данному фактору резко снижается, а участок выделяется в отдельный ЛДК 8 с региональными особенностями.

На ПК 537−538 в толще вечномерзлых грунтов отмечен торф, поэто-му участок выделяется из интразонального деления в региональное, так как требует дополнительного внимания при конструировании.

Таким образом, выполненное районирование не только формирует участки с относительно однородными природными условиями, но и за-ставляет анализировать причины значительных изменений показателей на участках, природные условия на которых отличаются по каким-то пара-метрам и требуют дополнительного внимания при конструировании и строительстве.

Направление 4. Сопоставление результатов моделирования по мето-дике таксономического анализа и данных инженерных изысканий оцени-валось коэффициентом линейной корреляции r, который является теоре-тически обоснованной мерой тесноты связи между двумя рядами показа-телей. Значение коэффициента линейной корреляции определено по фор-муле [83]

, ( 2.23)

где – среднее значение произведения показателей, полученных

по результатам изысканий и на основе модели районирования; ,

67

– соответственно средние значения показателей, полученных по результатам изысканий и на основе моделирования; − соответствен-но среднеквадратические отклонения для статистических рядов значений показателей, полученных в результате изысканий и по итогам моделиро-вания; n – объем выборки (количество сравниваемых величин); x , y − зна-чения показателей, полученных в ходе наблюдений и по расчету.

На основе анализа инженерных изысканий, выполненных по трассе «Вилюй»на участке потяженностью 7,8 км, были сопоставлены данные инженерных изысканий по пикетам трассы и данные моделирования по следующим показателям: плотность грунта деятельного слоя, г/см3; мо-дуль деформации грунта деятельного слоя, МПа; объемная теплоемкость грунта в талом состоянии, ДЖ/(м3 *град).

На рис. 2.15 представлены коэффициенты корреляции между значе-ниями вышеобозначенных параметров по пикетам и ЛДК (результаты расчета приведены в прил. 1, табл. П.1.1).

В табл. 2.6 приведен фрагмент расчета линейных коэффициентов корреляции по этим показателям на пикетах (ЛДЭ) и на линейных дорож-ных комплексах (ЛДК).

Рис. 2.15. Коэффициенты линейной корреляции показателей

сезонно-талого слоя

Таким образом, значение линейного коэффициента корреляции для плотности грунта деятельного слоя составило r = 0,94; для модуля дефор-мации грунта деятельного слоя r = 0,91; для объемной теплоемкости грун-та в талом состоянии r = 0,86. Величина коэффициента корреляции явля-ется оценкой степени взаимной согласованности в изменениях двух при-знаков. Возникает необходимость оценки существенности линейного ко-эффициента корреляции, дающая возможность распространить выводы по результатам выборки на генеральную совокупность.

Плотность грунта, г/см3

Модуль дефор-мации,

МПа

Объемная теплоемкость грунта в талом состоянии,

Дж/(м3*град)

68

Таблица 2.6 Фрагмент исходных данных для расчета линейного

коэффициента корреляции по показателям сезонно-талого слоя

ЛДК ОТЕ ПК

Плотность грунта, г/см3

Модуль де-формации,

МПа

Объемная теплоем-кость грунта в талом

состоянии, Дж/(м3*град)

по ПК по

ЛДК по ПК по ЛДК по ПК по ЛДК

ЛДК1 ОТЕ1 ПК522 1,68 1,81 11,07 13,24 621,52 627,11 ЛДК1 ОТЕ1 ПК523 1,75 1,81 11,08 13,24 587,57 627,11 ЛДК1 ОТЕ2 ПК524 1,87 1,81 11,89 13,24 581,15 627,11 ЛДК1 ОТЕ2 ПК525 1,97 1,81 13,88 13,24 692,42 627,11 ЛДК1 ОТЕ2 ПК526 1,79 1,81 18,29 13,24 652,89 627,11 ЛДК2 ОТЕ3 ПК527 1,97 2,17 44,81 47,99 581,40 637,08 ЛДК2 ОТЕ3 ПК528 2,01 2,17 52,94 47,99 635,47 637,08 ЛДК2 ОТЕ3 ПК529 2,13 2,17 53,38 47,99 679,81 637,08 ЛДК2 ОТЕ3 ПК530 2,22 2,17 48,28 47,99 682,36 637,08 ЛДК2 ОТЕ5 ПК534 2,17 2,17 54,98 47,99 669,73 637,08 ЛДК2 ОТЕ6 ПК535 2,02 2,17 32,64 47,99 646,62 637,08 ЛДК2 ОТЕ6 ПК536 1,86 2,17 37,58 47,99 584,69 637,08 ЛДК2 ОТЕ6 ПК537 1,95 2,17 31,70 47,99 627,75 637,08 ЛДК2 ОТЕ17 ПК567 2,29 2,17 50,20 47,99 592,35 637,08 ЛДК2 ОТЕ17 ПК568 2,27 2,17 53,46 47,99 652,45 637,08 ЛДК2 ОТЕ17 ПК569 2,22 2,17 52,33 47,99 692,68 637,08 ЛДК2 ОТЕ18 ПК570 2,46 2,17 54,82 47,99 577,55 637,08 ЛДК2 ОТЕ18 ПК571 2,42 2,17 56,96 47,99 686,27 637,08 ЛДК2 ОТЕ18 ПК572 2,40 2,17 54,31 47,99 637,41 637,08 ЛДК2 ОТЕ19 ПК573 2,26 2,17 43,32 47,99 643,78 637,08 ЛДК2 ОТЕ19 ПК574 2,20 2,17 44,09 47,99 672,42 637,08 ЛДК2 ОТЕ19 ПК575 1,97 2,17 48,83 47,99 678,02 637,08 ЛДК2 ОТЕ20 ПК576 2,19 2,17 48,19 47,99 650,80 637,08 ЛДК2 ОТЕ22 ПК579 2,15 2,17 55,16 47,99 568,46 637,08 ЛДК2 ОТЕ22 ПК580 2,01 2,17 44,16 47,99 571,82 637,08 ЛДК2 ОТЕ22 ПК581 2,24 2,17 47,29 47,99 586,15 637,08 ЛДК2 ОТЕ23 ПК582 2,27 2,17 45,20 47,99 653,60 637,08 ЛДК2 ОТЕ23 ПК583 2,23 2,17 49,09 47,99 681,26 637,08 ЛДК3 ОТЕ4 ПК531 1,86 1,92 29,99 33,06 508,66 503,15 ЛДК3 ОТЕ4 ПК532 1,85 1,92 37,74 33,06 567,26 503,15 ЛДК3 ОТЕ4 ПК533 1,80 1,92 41,92 33,06 495,60 503,15 ЛДК3 ОТЕ8 ПК539 1,79 1,92 13,47 33,06 394,61 503,15 ЛДК3 ОТЕ8 ПК540 1,86 1,92 12,23 33,06 410,38 503,15 ЛДК3 ОТЕ8 ПК541 1,98 1,92 11,91 33,06 437,51 503,15

69

Проверка коэффициентов корреляции на существенность выполня-лась двумя способами [83,128]:

Проверка нулевой гипотезы используется для больших выборок (n > 50). В основе гипотезы предположение, что в генеральной совокупно-сти коэффициент корреляции p = 0. Если , то нулевая гипо-

теза подтверждается и с вероятностью P можно утверждать, что между двумя величинами может не быть связи в генеральной совокупности; если

, то с этой же вероятностью можно утверждать, что нуле-

вая гипотеза отвергается и такая связь есть; xp − аргумент, характеризую-щий вероятность нормального распределения. В расчетах принята 95 %-ная вероятность, xp =1,96.

2. Проверка методом Z-преобразования, предложенным Фишером, используется для определения значимости коэффициента корреляции, рассчитанного при малой выборке и имеющего значение по модулю, близкое 1. Средняя квадратическая ошибка Z - распределения зависит от объема выборки и определяется по формуле

. (2.24)

Показатель Z определен по таблице в зависимости от значения коэф-фициента корреляции [128].

Отношение Z к средней квадратической ошибке Sz ( ) сравнивает-ся с табличным значением критерия Стьюдента при уровне значимости 5 %. Если , то можно считать, что связь между показателями в генеральной совокупности действительно существует.

В табл. 2.7 в качестве примера приведены расчеты значимости коэффи-циентов корреляции для трех показателей из табл. 2.6. Сверки по двум ме-тодикам подтвердили значимость коэффициентов корреляции.

Аналогичная проверка осуществлялась по другим показателям. Резуль-таты проверки свидетельствуют о достаточно высокой сходимости значений показателей, полученных в результате объединения участков в ЛДК, с ре-зультатами наблюдений по ПК, и о возможности применения алгоритма для решения задачи линейного дорожного районирования.

На основании изложенного можно сделать следующие выводы: 1. Определены области использования дифференциальных и инте-

гральных принципов инженерного районирования трассы дороги в сложных природных условиях на основе выполненного анализа типов физико-географического районирования, обусловленных зональными, интразональ-ными и региональными закономерностями формирования природных ком-плексов.

70

Таблица 2.7

Оценка значимости коэффициентов линейной корреляции

Показатель

Коэф-фи-

циент линей-

ной корре- ляции r

Z преобразованиt Фишера Нулевая гипотеза

Значе-ние по-

каза-теля Z

–средне-квадра-тическая ошибка Z распре-деления

− крите-

рий Стью-дента

tрасч

Плотность грунта, г/см3 0,94 1,70 0,11 1,70 14,84 1,96 0,222

Модуль де-формации,

МПа 0,91 1,51 0,11 1,51 13,14 1,96 0,222

Объемная теплоем-

кость грунта в талом со-

стоянии, Дж/(м3*град)

0,86 1,29 0,11 1,29 11,26 1,96 0,222

2. Обосновано функциональное назначение линейного дорожного рай-

онирования, связанное с системным представлением взаимодействия элементов внешней среды (ВС) с земляным полотном как элементом геотехнической сис-темы (ГТС-АД) и направленное на формирование комплексов, относительно однородных по характеристикам показателей внешней среды, выявленных по результатам инженерных изысканий на трассе дороги.

3. Реализация многоуровневой концептуальной модели, построенной нами по принципу ранжирования доминирующих факторов природной среды: зональных, интразональных, региональных, позволяет последовательно осуще-ствлять декомпозицию объекта (трассы дороги) на зоны, ЛДК в составе зон, участки с региональными особенностями в составе ЛДК.

4. Разработанный алгоритм объединения линейных дорожных элемен-тов (ЛДЭ), в качестве которых установлено пикетное расстояние, обеспечива-ет однородность значений показателей интразональных факторов при форми-ровании операционных территориальных единиц (ОТЕ), принятых в качестве базовых компонентов районирования. Для оценки однородности показателей на ОТЕ принят коэффициент вариаций, составляющий не более 0,15 для физи-ческих величин и 0,30 для физико-механических. В качестве исходных данных приняты средние значения показателей на пикетах продольного профиля трас-сы, определенные в результате комплекса инженерных изысканий.

5. В пределах ЛДК при объединении ОТЕ однородность значений пока-зателей по интразональным факторам обеспечивается применением методов

71

геоинформационных технологий, таксонометрического анализа и агрегативного алгоритма классификации, адаптированных нами к условиям инженерного рай-онирования трассы дорог в условиях ММГ. Мерой близости в математической модели классификации принято «евклидово расстояние». В качестве критерия оценки районирования при формировании ЛДК использованы комплексные по-казатели внутриклассового и межклассового разброса данных, принятые в тео-рии классификации.

6. Практическое использование методики линейного дорожного рай-онирования по данным инженерных изысканий дорог в сложных условиях многолетнемерзлых грунтов в регионах Якутии (Саха) на трех объектах общей протяженностью 47,4 км продемонстрировало научную значимость предлагае-мых теоретических и практических решений. В процессе районирования в мо-делях рассматривались данные по 13−18 показателям, полученным на основе инженерных изысканий в данных районах. До районирования среднее значение коэффициентов вариаций по показателям в целом на дорогах составило: для 1-го объекта 1,02; для второго − 0,45; для 3-го − 0,65. Значительный разброс дан-ных говорит о разнообразии и сложности условий на трассах, необходимости дифференцированного подхода к проектированию земляного полотна дорог в условиях ММГ. Формирование ЛДК с относительно однородными показате-лями природной среды позволило снизить средний коэффициент вариаций по комплексам до 0,2 − 0,35.

7. Адекватность моделей инженерного районирования оценивалась по трем направлениям:

− верификация модели продемонстрировала повторяемость результатов для разных исходных данных по результатам изысканий и разным условиям природной среды;

− сопоставление результатов инженерных изысканий и теоретических данных линейного дорожного районирования свидетельствует о достаточно высокой сходимости по показателям для плотности грунта деятельного слоя, модуля деформации грунта деятельного слоя, объемной теплоемкости грунта в талом состоянии и других параметров. Этот факт подтверждают установленные значения коэффициентов линейной корреляции для разных объектов и показателей в пределах 0,77 − 0,96;

− проверка значимости коэффициентов корреляции по Z-преобра-зованию Фишера и с использованием метода нулевой гипотезы продемонстрировала , что линейные коэффициенты корреляции по всем показателям значимы при доверительной вероятности 0,95.

72

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

После выполнения процедуры ЛДР на предпроектной стадии в соот-ветствии со схемой (см. рис. 1.2) приступают непосредственно к разработ-ке проектных решений. Эти решения связаны как непосредственно с кон-струкциями земляного полотна на ММГ, так и с другими структурными элементами дорожной конструкции, в частности с полосой отвода, водо-отводными сооружениями и т.д.

Конструкции земляного полотна на участках с региональными осо-бенностями природной среды разрабатывают па основе индивидуальных решений. Конструкции на территориально рассредоточенных участках одного ЛДК, имеющие идентичные климатические и геокриологические характеристики основания земляного полотна, целесообразно назначать однотипными, что позволит сократить многовариантность конструктив-ных решений земляного полотна по длине дороги, будет способствовать повышению эффективности технологических и организационных реше-ний.

В основе современного конструирования земляного полотна с сохра-нением ММГ положен принцип оптимального управления выходом гео-технической системы «ГТС − АД» на сезонно-циклический тепловой ре-жим за счет регулирования геометрии и теплотехнических характеристик отдельных слоев техногенной части (обеспечение стабильности) [138]. В работе [78] Я.С. Крафтом на основе экосистемного подхода определены основные нормируемые параметры земляного полотна:

− геометрия продольного и поперечного профиля; − физико-механические свойства применяемых материалов

(грунтов, геосинтетиков); − водно-тепловой режим грунтового массива; − напряженно-деформированное состояние конструкции

(грунтового массива земляного полотна). В конструкциях автомобильных дорог эти функции выполняют

совместно структурные элементы: земляное полотно и дорожная одежда. Эффективное управление качеством земляного полотна предполагает управление водно-тепловым режимом и напряженно-деформированным состоянием (НДС) дорожной конструкции с целью минимизации деформаций, поскольку целевым назначением земляного полотна как

73

инженерной конструкции является обеспечение постоянного во времени пространственного положения дорожного покрытия. Я.С. Крафт [78] исследовал влияние различных композитно-модульных конструкций на устойчивость, прочность и стабильность земляного полотна железных дорог применительно к полуострову Ямал. Наличие различных прослоек в теле земляного полотна оказывает влияние как на его тепловой режим, так и на напряженно-деформированное состояние конструкций, в т.ч. на сопротивление сдвигу в грунтовом массиве. При этом предъявляются определенные требования как к расположению определенных прослоек в теле земляного полотна, так и к характеристикам материалов этих конструктивных элементов [67]. В связи с этим расчеты вариантов дорожной конструкции, включающей земляное полотно и дорожную одежду, должны выполняться в соответствии с действующими нормативными документами [65,106]. В данной работе, в частности в данном подразделе, мы ограничиваемся рассмотрением конструктивных решений по обеспечению тепловой устойчивости дорожных насыпей при соблюдении необходимых условий водоотвода.

Теоретические исследования и инженерная практика для регулирова-ния температурного режима пород в нужном направлении рекомендуют различные мероприятия, позволяющие направленно изменять процессы тепло- и массообмена в дорожных конструкциях, используя естественные ресурсы холода или тепла, в том числе конструктивно-технологические решения и способы производства работ, оказывающие на грунты основа-ния сооружений охлаждающее действие, не допуская их многолетнего от-таивания.

Методы управления НДС грунтового массива земляного полотна включают регулирование интенсивности, длительности и величины внеш-них воздействий, преобразования метрик (геометрических очертаний и размеров) сооружения, регулирование физико-механических свойств (ФМС) грунтов по элементам массива.

Основу классификации методов и устройств для управления темпера-турным режимом грунтовых массивов составляют уравнения материаль-ного, энергетического и эксергетического балансов, отражающих законы сохранения массы и энергии, 1-й и 2-й законы термодинамики.

Уравнение радиационно-теплового баланса [26] с учетом теплообме-на между поверхностью и толщей выделенного грунтового массива имеет вид

PLEIqQ ++=−+ )1)(( α + B, (3.1)

где Q − прямая солнечная радиация, Вт/м2; q − рассеянная солнечная ра-диация, Вт/м2; α − альбедо поверхности; I − эффективное излучение по-

74

верхности земли, Вт/м2; LE − затраты тепла на процессы испарения и кон-денсации влаги на поверхности земли, Вт/м2; P − турбулентный теплооб-мен между поверхностью земли и приземным слоем воздуха, Вт/м2; В – теплообмен между поверхностью и толщей выделенного грунтового мас-сива, Вт/м2.

В соответствии с этим уравнением для сохранения многолетнемерз-

лого состояния грунтов основания земляного полотна следует: − уменьшать поступление на его поверхность прямой Q и рассеян-

ной q солнечной радиации, например, затенением; − увеличивать альбедо α поверхности, например, окраской в белый

свет; − увеличивать эффективное излучение, например, снегоочисткой

откосов и прилегающей территории; − увеличивать затраты на турбулентный теплообмен и испарение. Предотвращение инфильтрации летних осадков в тело земляного по-

лотна и фильтрации поверхностных или надмерзлотных вод в его основа-ние также способствует сохранению многолетнемерзлого состояния грун-тов основания земляного полотна. Возможные варианты конструктивных решений земляного полотна на ММГ базируются на общей классифика-ции методов управления криогенными процессами в грунтовых массивах, которая впервые была разработана Э.Д. Ершовым [55] и В.А. Кудрявце-вым [95]. В работах А. А. Цернанта (1984 − 1995 гг.) эта классификация получила дальнейшее развитие и приобрела функциональный (технологи-ческий) характер [138].

При проектировании земляного полотна на ММГ в разных регионах необходимо на основе общей классификации учитывать специфику при-родно-климатических условий, опыт строительства и эксплуатации дорог в этих регионах. Недостаточный учет региональных особенностей способ-ствует снижению эксплуатационных качеств транспортных сооружений еще на стадии проектирования. В.Н. Ефименко и его учениками (ТГАСУ) сформирован банк данных, включающий зональные, региональные и ин-тразональные факторы обширной территории Западной Сибири, конст-руктивные решения дорог на этой территории [56]. Аналогичные работы выполнены в ВолгГАСУ для Астраханской области [23].

Характерным примером данного направления исследований являются работы [74,148]. В работах А.И. Ярмолинского и В.А. Ярмолинского [148] предложены проектные конструкции автомобильных дорог с учетом при-родных условий Дальнего Востока. Монография В.Г. Кондратьева и С.В. Соболевой [74] посвящена описанию конструктивно-технологических ре-

75

шений федеральной автодороги «Амур» Чита − Хабаровск, инженерно-геокриологических условий трассы, оценке и снижению риска влияния негативных процессов и явлений на эксплуатационные показатели дороги. Учитывая информационную ценность этих работ, целесообразно перейти к решению данной проблемы в условиях криолитозоны.

Информация о ранее построенных объектах на определенных терри-ториях должна включать следующие данные: принятые конструктивные решения, используемые материалы, сроки и условия строительства, а так-же условия эксплуатации отдельных объектов, особенно на сложных уча-стках. При строительстве новых дорог выполняются детальные инженер-но-геологические и экологические изыскания. Комплекс этих данных вме-сте с природно-климатическими показателями территории, мониторингом состояния дорог является ценной информационной базой для проектиро-вания, строительства и эксплуатации дорог. Такая информация может представлять собой своеобразный «Паспорт транспортных сооружений» в регионе, отличающийся от существующей формы паспортизации дорог определенной компактной структурой, характеризующей не отдельные километры и выполняемые работы, а конструктивные решения на отдель-ных участках дорог, принятые меры по обеспечению устойчивости и на-дежности сооружений, результаты мониторинга эксплуатационного со-стояния дорог в жизненном цикле. Наиболее эффективными конструк-циями являются те, которые включают одновременно и водоотвод от тела земляного полотна.

С целью анализа и подбора конструктивных решений на участках ЛДК разработана информационная база данных (БД) «База конструктив-ных решений земляного плотна на многолетнемерзлых основаниях Permafrost Construction Base». Получено свидетельство о государственной регистрации [114].

Основой БД является схема, предложенная А.А. Цернантом [138]. В базе представлены реестр и схемы конструктивных решений на основе па-тентов, паспортов объектов, данных технической документации и литера-туры, физико-механические и теплофизические характеристики различ-ных грунтов оснований и карьеров, материалов, используемых для стаби-лизации; нормативно-технические документы. Структура «базы данных представлена на схеме (рис. 3.1).

76

Рис. 3.1. Структура информационной базы данных для проектирования земляного полотна на ММГ

В работе С.М. Ждановой [60] отмечена наибольшая эффективность следующих противодеформационных мероприятий применительно к оп-ределенным природным условиям:

− на сильнольдистых грунтах − теплоизолирующая конструкция из пенопласта, древесных отходов и геосинтетики;

− на подходной к мосту насыпи − лоток рамного типа с перемычкой из досок и пенопласта;

− на обводненных участках − бермы из мелкодисперсного грунта; − на участках пучин − комбинированная конструкция из пенополи-

стирола и укрепляющих композиций ДВГУПС ; − на участках сплывов, оползня − укрепляющие композиции

ДВГУПС ; − на термокарстовых участках − фильтрующая насыпь по техноло-

гии "Сеткон". Данные конструктивные решения включены в базу данных [114].

77

3.2. Автоматизация расчетов конструкций земляного полотна

на участках ЛДК

В соответствии с ВСН 84-89 [65] под устойчивостью насыпи понима-ется такое состояние ее основания, при котором верхний горизонт вечно-мерзлых грунтов (ВГВМ) будет сохраняться в критический по балансу те-пла 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 исполь-зованием ПЭВМ предусматривается регулирование параметрами дорож-ной насыпи: геометрическими размерами слоев, физико-механическими свойствами грунтов, применением дополнительных армирующих, тепло-изолирующих и т.п. элементов в грунтовом массиве [138,154,163]. В раз-ных северных регионах дорожные насыпи на ММГ представляют доста-точно 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 про-гнозирования состояния дорог в жизненном цикле. Адекватные модели и программы расчетов создают условия для выбора эффективных и надеж-ных конструкций. Автоматизация расчетов позволяет сократить затраты времени на проектирование конструкций земляного полотна и осуществ-лять обоснованный выбор из многих вариантов.

Расчеты конструкций земляного полотна на ММГ, как правило, вы-полняются с использованием различных программ для ПЭВМ [99,100,101,115] с применением, в основном, численных методов на базе нормативных документов и научно-исследовательских работ [65,68,86,90,108]. В расчеты на тепловую устойчивость применительно к автомобильным дорогам включают не только конструкцию земляного по-лотна, но и конструкцию дорожной одежды (возможно ее варианты). При расчете учитывается, что приняты определенные схемы водоотведения или защиты дорожного сооружения от воздействия паводковых и дожде-вых вод.

Расчет по ВСН 84-89 [65] предусматривает использование двух прин-ципов проектирования на ММГ и направлен на регулирование высоты на-сыпи по слоям конструкции. При проектировании насыпи по первому принципу осадка в процессе эксплуатации не допускается. Высота насыпи рассчитывается по формуле

78

, ( 3.2) где − высота насыпи, м; глубина сезонного оттаивания дорожной конструкции (земляное полотно + дорожная одежда, м).

При проектировании насыпи по второму принципу высоту насыпи

рассчитывают по формуле

, (3.3)

где дсH − мощность деятельного (сезоннооттаивающего) слоя, устанавли-ваемая по данным изысканий или расчетом по формулам (3.4) − (3.8), при естественной влажности грунта, м; e − относительная осадка грунта осно-вания после его оттаивания под нагрузкой, доли единицы; строитель-ная осадка, зависящая от сезона производства земляных работ, м (опреде-ляется согласно обязательному прил. 7 ВСН 84-89 [65]); – допустимая осадка, м (для асфальтобетонного покрытия 0,04 м); −глубина сезонного оттаивания дорожной конструкции (земляное полотно + дорож-ная одежда, м).

Блок-схема соответствующего алгоритма расчета приведена на рис.

3.2. Расчет по ВСН 84-89 выполняется в следующей последовательности. Первый этап (см. номера блоков на рис. 3.2). Расчет глубины сезон-

ного промерзания и оттаивания грунтов основания насыпи, а также грун-тов, из которых планируется возведение слоев земляного полотна, произ-водится по методике, описанной в СНиП 2.02.04-88* (СП 25.13330.2012) [117].

В блок-схеме (рис. 3.2) приведены формулы расчета . В табл. 3.1 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 раз-личных видов грунтов, в т.ч. теплопроводность и объемная теплоемкость грунтов в мерзлом и талом состояниях [114].

Второй этап. Расчет глубины оттаивания дорожной конструкции производится методом эквивалентных слоев. Если конструкция представ-ляется в виде двухслойной схемы, глубина сезонного промерзания опре-деляется методом эквивалентных слоев по формуле (3.4). В случае, если конструкция представлена в виде трехслойной схемы, расчет ведется по формуле (3.5).

79

; (3.4)

, (3.5)

где , − толщины первого (верхнего) и второго слоев, м; − глубины сезонного оттаивания соответствующих сло-

ев основания, м.

Рис. 3.2. Блок-схема алгоритма расчета насыпей на ММГ по ВСН 84-89

4

thbfh

thcbfthc

w

wcththn tTT

tTTkkdd

)()(

−

−=

2

−−= c

kk S

eS

HHHH доп

дс

Расчет нормативной глубины сезонного промерзания fnd ,

м, и оттаивания грунтов thnd , в районе строительства нcH

fbff

fmbffm

w

wcffn tTT

tTTkkdd

)()(

−

−=

1

Определение от-носительной осадки грунта ос-нования после его оттаивания под нагрузкой

Определение глубины от-таивания конструкции, вклю-чающей земляное полотно и

дорожную одежду

Расчеты по формулам (3.4) – (3.8) основного текста

Определение мощности деятельного слоя дсH

Назначение высоты насыпи при проектировании по пер-

вому принципу

kHH =

−+=

1

212дс 1

c

cc H

HhHH

п11 kkHH wнcc =

wнcc kHH 22 =

Расчет высоты насыпи при проектировании по

второму принципу

Определение допустимой осадки по покрытию

5

3

Расчет строи-тельной осадки грунтов осно-вания и тела насыпи на раз-личных стадиях проектирова-ния с учетом условий строи-тельства

80

Таблица 3.1

Обозначения параметров и размерности (к блоку 1 , рис. 3.2)

Величины 321 ,, ccc HHH определяются по следующим формулам:

; (3.6)

; (3.7)

, (3.8)

где – нормативные глубины сезонного оттаивания материа-лов слоев конструкции; wK – поправочный коэффициент на расчетную

Показатель Обозначение Ед.изм Влажность грунта суммарная totW д.е. Наибольшая глубина сезонного оттаивания грунта в годо-вом периоде, устанавливаемая по данным натурных наблю-дений

thd м

Коэффициент, принимаемый в зависимости от totW в пери-од эксплуатации сооружения wck д.е

Коэффициент, принимаемый в зависимости от totW в пери-од наблюдений wk д.е.

Температура начала замерзания грунта bfT °C Расчетная температура поверхности грунта в летний период thcT °C Расчетная продолжительность летнего периода thct ч Средняя температура воздуха за период положительных температур hT °C

Продолжительность периода положительных температур по метеоданным tht ч

Наибольшая глубина сезонного промерзания грунта в годо-вом периоде, устанавливаемая по данным натурных наблю-дений

fd м

Средняя по многолетним данным температура воздуха за период отрицательных температур fmT °C

Средняя продолжительность периода с отрицательными температурами по многолетним данным fmt ч

Средняя температура воздуха за период отрицательных температур в год наблюдения fT °C

Продолжительность периода отрицательных температур в год проведения наблюдений ft ч

81

влажность грунта, принимаемый по графикам [65]; – коэффициент, учитывающий интенсивность оттаивания материала дорожной одежды.

Третий этап. Если основание представлено в виде двухслойной кон-струкции, мощность деятельного слоя kHH =дс определяется методом эквивалентных слоев по формуле (3.4). При многослойной конструкции количество слоев увеличивается с сохранением структуры формулы (3.5).

Четвертый этап. Относительная осадка грунта основания после его оттаивания под нагрузкой определяется согласно СНиП 2.02.04-88*(СП 25.13330.2014) [ 117]. В качестве грунта основания принимается грунт деятельного слоя. При наличии в основании глинистых грунтов с крупно-обломочными включениями относительную осадку корректируют с по-мощью коэффициентов по ВСН 84-89 [65, прил.4, табл. 1].

Пятый этап. Строительная осадка, зависящая от сезона производст-ва земляных работ, определяется согласно ВСН 84-89 [65, прил.7]. В рас-четах строительной осадки грунтов основания при сооружении насыпей следует учитывать время производства работ (лето, зима) и технологию возведения земляного полотна (на полную высоту или послойно).

Результатом расчета по блок-схеме является минимальная рекомен-дованная высота насыпи по первому или второму принципу расчета. Ав-томатизация расчетов позволяет упростить проектирование конструкций земляного полотна в условиях распространения ММГ и осуществлять обоснованный выбор из многих вариантов конструкций.

Исследования, связанные с расчетом дорожных конструкций на ММГ, являются достаточно актуальными в настоящее время. Авторы [8,60] рассматривают проблемы обоснования эффективных дорожных конструкций на ММГ с позиций термической (тепловой) устойчивости основания земляного полотна. С.М. Жданова [60], анализируя состояние теплового равновесия для верхнего слоя вечной мерзлоты, формулирует условия состояния мерзлотного процесса через отношение глубины зим-него промерзания м, к мощности деятельного слоя , м:

1) для стабильного состояния мерзлоты ; 2) для наступления (подъема) вечной мерзлоты ; 3) для состояния деградации первого вида 1,2 > 1; 4) Для интенсивной деградации второго вида по Кудрявцеву [80]

1. Дальнейшее развитие и обоснование данного подхода представле-

но в работах [8,108]. Авторами предложена методика оценки условий ста-ционарности массива многолетнемерзлого грунта, при которой обеспечи-вается устойчивость земляного полотна. Авторы [8], опираясь на работы

82

Н.А. Цытовича [141], П.И. Мельникова [84], условие устойчивости фор-мулируют следующим образом: тепловое состояние массива мерзлого грунта устойчиво, если оттаивающий летом слой грунта полностью про-мерзает зимой.

Аналитическое представление этого условия в работе [84] имеет вид

1 , (3.9)

где − коэффициенты теплопроводности грунта массива в мерзлом и талом состояниях соответственно, ккал/(м·ч·град); – сумма отрица-тельных градусочасов поверхности грунта, град·ч; – сумма положи-тельных градусочасов поверхности грунта, град·ч.

Авторы [8] назвали отношение (3.9) коэффициентом термической (те-

пловой) устойчивости и на основе практических мерзлотных наблю-дений обосновали, что «межгодовая изменчивость сезонного оттаивания при относительной стабильности компонентов природного комплекса не выходит за пределы 20 − 30 %». Приняв линейную зависимость между ко-личеством тепла, поступившего за сезон промерзания (оттаивания)

, и глубиной промерзания (оттаивания) грунта деятельного слоя, авторы [8] приходят к следующим выражениям для условия тепловой ус-тойчивости земляного полотна на ММГ:

, (3.10)

1,3, (3.11)

где – соответственно величины промерзания и оттаивания грунта деятельного слоя, м.

Отношение обозначено через I и названо климатическим мерзлот-

ным индексом. Эту величину можно считать постоянной для данной тер-ритории на продолжительном промежутке времени, на котором сущест-венно не меняется климат.

I , (3.12)

Условия (3.10) − (3.12) после подстановок и преобразований пред-ставлено в виде нестрогого неравенства:

I ≥1,3 , (3.13)

Выражение (3.13) авторами методики [8] принято в качестве критерия естественной тепловой (термической) устойчивости многолетнемерзлого

83

грунта, находящегося в основании насыпного сооружения (насыпи, дам-бы, промышленной площадки, дорожного земляного полотна и т.д.).

Данный критерий дает возможность, исходя из значения климатиче-ского индекса I, на стадии проектирования прогнозировать тепловую ус-тойчивость многолетнемерзлого грунта, находящегося в основании насы-пи. При этом должны учитываться теплофизические свойства грунтов и материалов вышележащих конструктивных слоев.

Анализ изменения значений теплофизических характеристик талых и мерзлых грунтов в зависимости от их влажности свидетельствует о необ-ходимости учёта не только их коэффициентов теплопроводности, но и их объёмной теплоёмкости. Это реализуется через температуропроводности грунта в талом и мерзлом состояниях соответственно αт и αм, м2/ч, опре-деляемых по общей формуле

α , (3.14) где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м * оС (ккал/м*ч*оС); С – объ-ёмная теплоёмкость, кДж/м * оС (ккал/м3*оС).

В результате формула критерия тепловой устойчивости мёрзлого ос-

нования с учетом выражений (3.13) и (3.14) в уточнённом виде может быть записано как

I ≥ 1,3 αт / αм . ( 3.15)

Выражение (3.15) не учитывает общее термическое сопротивление многослойной конструкции R, которое определяют по формуле

R = h1/λ1 + h2/λ2 + …+ hn/λn + Rп , ( 3.16)

где h1,…, hn – толщины слоёв многослойной конструкции с коэффициен-тами теплопроводности λ1,…, λn; Rп = 1/а – сопротивление теплопередаче поверхности (оС*м2*ч/ккал); а − коэффициент теплоотдачи от воздуха к поверхности грунта или дорожного покрытия (в среднем равный 20 ккал/м2 * ч * оС).

Суммарное термическое сопротивление ΣRα , учитывающее теплоем-

кость грунтовых и конструктивных слоёв через коэффициент температу-ропроводности α, без учета коэффициента теплоотдачи от воздуха к по-верхности покрытия, определяют по формуле

84

ΣRα = h1/α1 + h2/α2 + …+ hn/αn , ( 3.17)

где h1,…, hn – толщины слоёв многослойной конструкции с соответст-вующими коэффициентами температуропроводности α1,…,αn .

Таким образом, условие тепловой устойчивости многолетнемерзлого основания под насыпными инженерными сооружениями (дорожными на-сыпями, промышленными площадками, дамбами и т.д.) представлено в [108] в следующем виде:

I ≥ 1,3Σ Rαт /ΣRαм , ( 3.18)

где ΣRαт и ΣRαм – общие (суммарные) термические сопротивления всех слоев дорожной конструкции (земляное полотно + дорожная одежда) со-ответственно в талом и мёрзлом состояниях.

На основе данной методики выполнено моделирование конструкций земляного полотна с разными параметрами конструктивных слоев [108] и разработана программа для ЭВМ «Система автоматизированного проек-тирования земляного полотна автомобильных дорог в сложных условиях «Permafrost» [115]. Методы расчета глубины сезонного оттаивания и про-мерзания многослойной системы из слоёв дорожной конструкции и грун-тового основания разработаны авторами [8] на основе решений Г.М. Фельдмана [136].

Глубину сезонного оттаивания грунтовых слоёв дорожной насыпи и её основания определяют по формуле

, (3.19)

где − время, год в часах (8760 ч) ; q − количество скрытой теплоты фа-зовых переходов влаги при промерзании грунта в 1 м3, ккал/м3; − среднемесячная температура за самый тёплый летний месяц, °C; − объёмная теплоёмкость грунтов, кДж/(м3·°C).

Суммарная глубина оттаивания конструкции из n слоев определя-ется по формуле

. (3.20) Глубину сезонного промерзания многослойной системы из слоёв до-

рожной насыпи и грунтового основания определяют по формуле

85

, (3.21)

где − суммарная глубина оттаивания конструкции, м; − средний коэффициент теплопроводности грунта в мерзлом состоянии, ккал/(м·ч·град); Lvi − количество скрытой теплоты фазовых переходов влаги при промерзании грунта в 1 м3, ккал/м3; − объемная теплоем-кость грунта в мерзлом состоянии, ккал/(м3·град). − среднее значение температуры при промерзании, °C; τз – продолжительность зимнего сезо-на, ч.

В соответствии с методикой [108] при расчете значений и в дополнение к расчетам по формулам (3.19) −(3.21) учитывается отепляю-щее влияние инфильтрации теплых летних осадков (дождей). Методика геокриологического прогноза предусматривает дополнительную проверку с расчетом климатического мерзлотного индекса данной территории − формула (3.18).

При выполнении условия (3.18) глубина оттаивания под сооружаемой дорожной насыпью не должна возрастать в период ее эксплуатации (при условии недопущения скопления снега и застоя воды у насыпи), что обес-печивается устройством преимущественно пологих (1:2 ÷ 1:4) откосов на-сыпи и организацией водоотвода. Условие (3.18) может быть обеспечено за счет проектирования насыпи с учетом специальных конструктивных решений. В то же время важно отметить, что данная методика находится в стадии опытно-экспериментальной проверки и в процессе этой проверки будет уточняться.

Рассмотренные методы расчета и геокриологического прогнозирова-ния устойчивости дорожных насыпей и программное обеспечение, реали-зованное на их основе, использованы для расчета ряда конструктивных решений для линейных дорожных комплексов в условиях ММГ и пред-ставлены в разделе 4.

Разработанное нами программное обеспечение для ПЭВМ [114, 115] использовано для экспериментальных расчетов конструкций земляного полотна с целью прогнозирования состояния грунтов основания после их строительства на следующих объектах (см. прил. 2):

− автомобильная дорога М 56 «Лена» от Невера до Якутска, км 93 - км 123;

86

− автомобильная дорога «Вилюй», от автомобильной дороги М-53 «Байкал» через Братск, Усть-Кут, Мирный до Якутска в Республике Саха (Якутия), на участке км 44+000 - км 55+600;

− в составе НИР [108] на автомобильной дороге «Амур».

3.3. Привязка конструктивных решений к участкам ЛДК

Выбор конструктивных решений земляного полотна для участков

ЛДК − достаточно сложный процесс, который зависит не только от при-родной среды, включая геокриологические особенности основания земля-ного полотна, но и от других факторов, которые при определенных об-стоятельствах могут иметь решающее значение. К таким факторам отно-сятся расположение карьеров, физико-механические свойства грунтов в карьерах, характеристики и доступность используемых в качестве просло-ек специальных материалов, затраты на транспортирование и т.д. (рис. 3.3). Схема на рис. 3.4 отображает альтернативные варианты привязки конструктивных решений к участкам ЛДК в зависимости от формирова-ния затрат на строительство земляного полотна на этих участках. Форми-рование массива возможных конструктивных решений осуществляется на основе «базы данных» [114], источников научно-технической информа-ции, данных о реализованных конструкциях на объектах-аналогах. При выборе варианта конструкции анализируются особенности природной среды и геокриологической ситуации на участках ЛДК. Расчеты на устой-чивость выполняются с использованием программ для ЭВМ с учетом средних условий на ЛДК или отдельно для каждого участка на среднюю отметку дорожной конструкции на участке по всем вариантам массива конструкций К. Если высота насыпи в пределах j-го участка ЛДК резко отличается от средней отметки на участке, принимают решение о выделе-нии этой зоны в отдельный комплекс для проектирования конструкции с учетом региональных условий. Особые условия по высоте насыпи также могут выявиться при формировании ОТЕ и объединении их в классы по показателю ритма рельефа местности и средней глубины расчленения − формулы (2.7), (2.8). В условиях сложного рельефа отметка насыпи может быть включена в модель линейного районирования как интразональный фактор с интервальной оценкой (от − до, баллы).

Для закрепления варианта конструктивного решения необходимо, прежде всего, оценить затраты на реализацию каждого варианта на участ-ках ЛДК. Критерием оценки приняты суммарные приведенные затраты на строительство и эксплуатацию (ремонт и содержание) земляного полотна.

87

Характеристики

грунтов в карьерах

Карьер № 1

Стоимость

разработки и

доставки грунтов

Характеристики

грунтов и

материалов,

заложенные в

конструктивном

решении

Технологические особенности возведения

конструкций

Карьер № 2Конструктивное решение на ЛДК

Климатические характеристики

ЛДК

Инженерно-геологические и

геокриологические условия на ЛДК

Карьер № 3

Конструкция № 1

Конструкция № 2

Конструкция № 3

Рис. 3.3. Факторы для выбора варианта конструктивного решения на ЛДК

Рис. 3.4. Схема привязки конструктивных решений к участкам ЛДК : Пr – номер и расположение грунтового карьера (поставщика), r =1…R; Lij – протяженность j-го участка на i-м ЛДК; Kpij – p-й вариант конструктивного решения на j-м участке i-го

ЛДК. Заштрихован участок индивидуального проектирования

В работе [46] приведен структурный анализ эффективности иннова-ций по Федеральному дорожному агентству, в котором отмечается, что количественная оценка эффектов от внедрения инноваций, связанных с

88

устройством, ремонтом и содержанием земляного полотна, не произво-дится. Авторы обзора объясняют это обстоятельство отсутствием соответ-ствующих расчетных инструментариев для такой оценки.

Можно в определенной степени согласиться с данным замечанием, особенно в отношении конструкций земляного полотна на ММГ, так как в настоящее время нормативные методики прогноза тепловой устойчиво-сти различных конструкций земляного полотна на ММГ отсутствуют, но работы в этом направлении ведутся и в дальнейшем могут быть использо-ваны при решении данной задачи [8,144,153].

При оценке эксплуатационных затрат для разных вариантов нами приняты нормативные затраты по методикам Росавтодора [103,112]. Предполагается, что сравнение вариантов выполняется для тех конструк-ций, которые по расчету обеспечивают прочность конструкции и устойчи-вость основания земляного полотна на ММГ. Решая задачу выбора, можно отдать предпочтение одному варианту конструкции на ЛДК и для этого варианта далее рассматривать организацию работ (глава 4). Можно про-ранжировать варианты по приведенным затратам и далее рассматривать организацию работ для всех (или конкурирующих вариантов) с расчетом чистого дисконтированного дохода за срок службы дорожной конструк-ции. Исходная матрица комбинаторной задачи закрепления конструкций за участками ЛДК представлена на рис. 3.5.

Задача решается с применением комбинаторных методов, принятых в теории и практике функционально-стоимостного анализа (ФСА). В зару-бежной и отечественной литературе функционально-стоимостной анализ рассматривается как метод комплексного системного исследования функ-ций объекта, направленный на оптимизацию соотношения между качест-вом, полезностью функций и затратами на выполнение этих функций на всех этапах жизненного цикла объекта [39, 7 2]. Этот метод известен в мире как инструмент активной технико-экономической диагностики и оп-тимизации проектных решений и находил применение при решении ряда дорожных задач [20,50,76].

При подборе конструкций желательно сохранять однотипность кон-струкций на участках одного ЛДК. При сравнении вариантов конструкций земляного полотна если сохраняется постоянной конструкция дорожной одежды на всех ЛДК, то при расчете дисконтированных затрат ее можно не учитывать.

Задача формулируется в следующей постановке. За каждым j-м уча-стком i-го ЛДК протяженностью Lij закрепляется последовательно одно из конструктивных решений (индекс конструкции − левый верхний угол ячейки). В правом верхнем углу проставляются удельные затраты на

89

строительство 1км j-го участка по конструктивному решению p-го вариан-та .

k111 Суд111

R111З111

Ссп111 В111

k112 Суд112

R112З112

Ссп112 В112

k113 Суд113

R113З113

Ссп113 В113

k211 Суд211

R211З211

Ссп211 В211

K212 Суд212

R212З212

Ссп212 В212

k213 Суд213

R213З213

Ссп213 В213

k311 Суд311

R311З311

Ссп311 В311

k312 Суд312

R312З312

Ссп312 В312

k313 Суд313

R313З313

Ссп313 В313

k114 Суд114

R114З114

Ссп114 В114

k214 Суд214

R214З214

Ссп214 В214

k314 Суд314

R314З314

Ссп314 В314

1.3/L1.3

Суммарные затраты по варианту

V11

V21

V31

1/L1.41.2/L1.21.1/L1.1

Участки для линейных работ по i-му ЛДК / Протяженность, кмВариант

конструкции

1

2

3

Рис. 3.5. Матрица для решения задачи закрепления конструкций за участками:

i – индекс ЛДК, ; j − индекс участка на i-м ЛДК, ; Lij − протяженность j-го участка на i-м ЛДК, км; – индекс конструктивного решения p-го типа ( на j-м участке i-го ЛДК, принадлежащего множеству K ; − удельная стоимость строительства 1 км p-й конструкции на j-м участке i-го ЛДК, тыс. руб; − затраты, сопутствующие строительству 1 км p-го варианта конструкции , но не

учтенные в удельных затратах, связанных с линейными объемами, тыс. руб.; Вpijt – эксплуатационные затраты на 1 км p-й конструкции на j-м участке i го ЛДК в t-м го-ду, тыс. руб.; Зpij − дисконтированные затраты, включая строительство и эксплуата-

цию за срок службы по нормативу, тыс. руб.

В левом нижнем углу ячейки проставляются затраты, сопутствующие строительству p-го варианта конструкции . В правом нижнем углу ячейки проставляют эксплуатационные затраты Вpijt . В центре ячейки − приведенные дисконтированные затраты на 1 км конструкции за срок службы. Итогом каждой строки являются суммарные дисконтированные затраты по i-му ЛДК на реализацию p-го конструктивного варианта на всех участках (Vpi).

90

Целевая функция задачи:

. (3.22) Ограничения задачи и расчетные формулы: 1. Требование обеспечения прочности, устойчивости по сдвигу в

грунтовом массиве, тепловой устойчивости основания земляного полотна по всем конструктивным решениям.

Для всех должна быть обеспечена прочность, устойчивость на сдвиг и тепловая устойчивость при расчете по ВСН 84-89 или по фор-муле (3.18).

2. Rkpj = 0, если решение о закреплении p-го типа конструкции на j-м участке не принято.

3. Rkpj = 1, если решение о закреплении p-го типа конструкции на j-м участке принято.

4. − за каждым участком закрепляется только один p-й тип конструкции, не может быть участка без одной закрепленной конст-рукции любого типа (итог конструктивных решений по каждому столбцу матрицы равно 1).

5. − затраты по i-й строке с p-й конструкцией на всех участках ЛДК, тыс.руб.

, ( 3.23)

где t − шаг дисконтирования (1год); T – горизонт расчета, годы до расчет-ного срока службы; – коэффициент дисконтирования.

Период приведения затрат – начало строительства. 6. Удельные затраты на строительство j-го участка по p-му варианту

конструкции рассчитывают по формуле

, ( 3.24)

где − объем s- го слоя p-го типа конструкции на j-м участке i-го ЛДК, ед. изм./км; – цена поставщика материала (грунта) s-го слоя p-й конструкции, тыс.руб./ед.изм; − цена доставки автомобильным транспортом от поставщика (карьера) до места укладки единицы материа-ла s-го слоя p-й конструкции на среднее расстояние до j-го участка i-го ЛДК, тыс. руб.; – сметная стоимость эксплуатации машин специали-

91

зированного отряда при работе на s-м слое конструкции, тыс. руб./км; – дополнительные неучтенные ранее затраты, тыс. руб./км.

Расчет объемов работ (количество слоев конструкции) принимается в зависимости от средней высоты насыпи на j-м участке i-го ЛДК.

Целевая функция задачи формулируется следующим образом: закре-пить конструктивные решения из массива К по одному за каждым j-м участком i-го ЛДК, чтобы минимизировать дисконтированные затраты на строительство всех участков данного ЛДК. Учитывая однородность при-родных условий на участках ЛДК, массив принятых конструктивных ре-шений желательно ограничить до 3-х в зависимости от общей длины до-роги. При незначительных отклонениях конструкций по стоимости целе-сообразно сохранять однотипность конструкций на участках ЛДК для бо-лее эффективной загрузки специализированных отрядов. При реализации алгоритма для следующих ЛДК рекомендуется включать в массив исход-ных данных ту конструкцию, которая получила преимущество на преды-дущем ЛДК. Алгоритм решения задачи представлен на рис. 3.6.

Выбор минимального значения из массива затрат на реализацию p-го типа конструктивного решения на всех j-х участках i-го ЛДК

Vpi = min. Присвоение этому типу конструкции ранга p (б) (базовый)

Переход к анализу вариантов по столбцам матрицы с оценкой затрат на каждом участке

j=1…J по конструкциям из массива Р-1P: P-1

j:=1Зр(б)j ≤ Зрj {P-1}min

Выбор Зрjmin

RK pj :=1RKpj (б) =0

RKpj (б) =1

j<J j: j+1

Нет Да

Массив рекомендуемых конструкций для участков i-го ЛДК сформирован

Нет

Да

Рис. 3.6. Привязка конструктивных решений к i-му ЛДК

92

Демонстрационный пример возможного преобразования исходной матрицы после реализации алгоритма представлен на рис. 3.7.

k113 Суд113

Ссп113 В113

k211 Суд211

Ссп211 В211

K212

З112

R112

Суд212

Ссп212 В212

k311 Суд311

Ссп311 В311

k312 Суд312

Ссп312 В312

k313 Суд313

Ссп313 В313

k114 Суд114

Ссп114

R213

k213

Ссп213

З213

В112 В114

k314 Суд314

Ссп314 В314

1.3/L1.3

Суммарные затраты по варианту

V*11

V*21(б)

V31

Суд214

В214

R214

k214

Ссп214

З214

В213

Суд213

1.4/L1.41.2/L1.2

Суд112

1.1/L1.1

З111

В111 Ссп112

Суд111 k112

R111

Участки для линейных работ по i-му ЛДК / Протяженность, кмВариант

конструкции

1

k111

2

Ссп111

3

Рис. 3.7. Пример изменения исходной матрицы после расчета

по программе Верификация алгоритма показала, что итог расчета с полным перебо-

ром всех вариантов (число сочетаний из n по m, = n!/m!(n-m)! иденти-чен расчету по сокращенной схеме и дает существенную экономию вре-мени. Расчеты выполняются в программе Excel.

После того как за каждым участком всех ЛДК на дороге закреплены эффективные конструктивные решения, можно считать, что объект струк-турирован на однотипные проектно-технологические модули (ПТМ) – участки с однотипными конструкциями. При этом однотипные конструк-ции могут присутствовать на разных ЛДК, но в каждом случае устойчи-вость земляного полотна обеспечивается расчетом высоты насыпи и раз-личными геометрическим размерами и характеристиками свойств мате-риалов конструктивных элементов. Эти расчеты выполнены на стадии, предшествующей формированию исходной матрицы.

Последовательность действий при решении данной задачи представ-лена в виде блок-схемы (рис. 3.8).

93

Формирование массивов ЛДК (I = 1, ….I) и участков ЛДК в каждом массиве (J = 1….J) на протяжении дороги

Выделение из общего массивов участков с особенностями региональных условий для индивидуального проектирования на i-м ЛДК

Определение Lij –протяженность j-го участка на i-м ЛДК с относительно однородными интразональными факторами

Анализ расположения карьеров относительно трассы дороги, определение физико-механических характеристик грунтов в карьерах по данным

изысканий. Расчет зон действия карьеров. Расчет среднего расстояния перевозок грунта из карьеров до участков

Анализ возможных вариантов конструктивных решений на основе «Базы данных», объектов-аналогов. Создание массивов информации

предполагаемых вариантов конструкций Kpij – p-й вариант конструктивного решения на j-м участке i-го ЛДК

Расчет конструкций применительно к участкам ЛДК при условии обеспечения тепловой устойчивости основания земляного полотна по

принятому принципу проектирования.

Расчет объемов работ на реализацию вариантов конструктивных решений

Расчет удельных затрат на реализацию p-го варианта конструкции на j-м участке i-го ЛДК на основе сметных нормативов Расчет приведенных

дисконтированных затрат на строительство и эксплуатацию земляного полотна на участке

Составление матрицы «Конструкция-участок-затраты». Решение комбинаторной задачи по критерию минимизации приведенных затрат.

Ранжирование конструктивных решений на ЛДК по критерию приведенных затрат на строительство и эксплуатацию земляного полотна на j-м участке

Рис. 3.8. Блок-схема подготовки информации для решения распределительной задачи «участок ЛДК – тип конструкции»

Выбор конструкций земляного полотна для участков ЛДК продемон-

стрирован на примере участка автомобильно дороги III технической кате-

94

гории, на многолетнемерзлых грунтах, в Саха-Якутии (I ДКЗ), конструк-ции приведены в прил. 2.

В табл. 3.2 отображена взаимосвязь компонентов проектирования земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах: линейных дорожных комплексов, рассчитанных на основе инженерного районирования; типов конструктивных решений земляного полотна на участках ЛДК; линейных и сосредоточенных проектно-технологических модулей для формирова-ния отрядов при строительстве земляного полотна.

Таблица 3.2

Декомпозиция земляного полотна на проектно-технологические модули на основе линейного дорожного районирования

Номер

ЛДК (i)

Номер уча-

стка(j) на i-м

ЛДК, обо-

значение i.j

Границы уча-

стка, ПК: нача-

ло−конец

Протяжен-

ность уча-

стка , км

Тип конструк-

тивного реше-

ния p

1 1.1 521-526 0,5 3 2 2.1 526-530 0,4 3 3.1 530-533 0,3 4 2 2.2 533-537 0,4 3 4 4.1 537-538 0,1 1 3 3.2 538-541 0,3

4

5 5.1 541-548 0,7 3 3.3 548-552 0,4 6 6.1 552-554 0,2 3 3.4 554-557 0,3 5 5.2 557-560 0,3 3 3.5 560-563 0,3 7 7.1 563-566 0,3 3 2 2.3 566-576 1,0 8 8.1 576-578 0,2 2 2 2.4 578-583 0,5

4 6 6.2 583-585 0,2 4 4.2 585-590 0,5 9 9.1 590-596 0,6 3 10 10.1 596-600 0,4

По результатам линейного дорожного районирования на участке про-тяженностью 7,8 км было выделено 10 линейно-дорожных комплексов с разными природными условиями. На участках ЛДК запроектировано 4 типа конструкций земляного полотна. Два типа конструкций приняты для

95

участков сосредоточенных работ: 1 − глубокая выемка, 2 − насыпь на за-болоченном участке (мари). Типы конструкций для участков ЛДК назна-чены с использованием базы конструктивных решений [114] с сохранени-ем мерзлоты в основании насыпи (первый принцип проектирования). За-траты на строительство рассчитывались с учетом расположения карьеров, физико-механических свойств грунтов в карьерах (суглинки и скальные грунты), природных климатических и геокриологических факторов на участках ЛДК. Линейные земляные работы выполняются на двух ПТМ с разными типами конструктивных решений.

Третий тип конструкции (см. табл. 3.2) представляет собой насыпь до 3-4-х метров: первый слой − торф 0,3 м; второй − кварцит слабовыветре-лый, средней прочности толщиной 0,48 м на геотекстильной прослойке; третий слой из суглинка легкого дресвяного мерзлого, между вторым и третьим слоями – геотекстильная прослойка; четвертый слой – щебени-стый грунт (мощность слоя 1 м).

Более подробное описание конструкции 3 приведено в прил. 2 (см. рис. П 2. 4 − вариант 4). Четвертый тип конструкции – насыпь из скально-го грунта с водонепроницаемыми периферийными зонами в нижней части насыпи [63]. Описание конструкции и расчет продухов приведены в прил. 2 (см рис. П. 2.5 − вариант 5). Все работы по строительству земляного по-лотна выполняются в зимнее время.

3.4. Влияние линейного дорожного районирования на качество и надежность конструктивных решений земляного полотна

Итогом ЛДР является разделение дороги на участки с более однород-

ными характеристиками природных климатических и геокриологических факторов для повышения надежности проектных решений на этих участ-ках. Вопрос о связи однородности с показателями качества и надежности при проектировании и строительстве дорог изучался рядом ученых [47,64,82,122] и является достаточно актуальным в настоящее время. Ис-ходя из положений теории вероятности, показатель качества зависит от характера распределения контролируемой величины, жесткости допусков, среднего значения и однородности измеряемой величины (рис. 3.9).

Если известны допускаемые пределы отклонений величины: мини-мально допустимые (нижний предел) [X1] и максимально допустимые (верхний предел) [X2], тогда заштрихованная область отражает область дефектов для контролируемой величины.

Если рассматривать рис. 3.9, а с точки зрения пределов изменения геокриологических характеристик на ЛДК, то можно сделать вывод, что

96

при проектировании конструкции земляного полотна эти характеристики должны находиться в пределах области допустимых значений.

Рис. 3.9. Зависимость показателя дефектности (качества) от однородности контролируемого параметра

Тогда справедливо выражение [122]

, ( 3.25)

где K − уровень допустимых значений параметра, обеспечивающий каче-ство конструктивных решений; F1, F2 – площади фигуры, соответствую-щие дефектным значениям; Fобщ – общая площадь фигуры, расположенная между кривой распределения и осью абсцисс.

Распределение 1 (рис. 3.9, б) более однородно (имеет меньший раз-

брос измеряемого параметра), чем 2 и 3 , следовательно, показатель каче-ства для случая распределения 1 выше (не попадает в зону дефектов), чем для кривых 2 и 3. Таким образом, повышая однородность параметров на ЛДК в результате линейного дорожного районирования, мы обеспечиваем повышение качества проектных решений и его надежность, которая явля-ется одной из характеристик качества.

В дорожной отрасли авторами [122, 146] на основе обобщения дан-ных отечественных и зарубежных исследований доказано влияние одно-родности показателей, характеризующих свойства элементов дорожных конструкций, на результативные характеристики их качества и надежно-сти. Повышение однородности показателей земляного полотна и дорож-ных одежд рассматривается как один из наиболее доступных и экономи-чески обоснованных методов повышения качества строительства.

97

В работах [47,64,82,122] на примерах проектирования дорожных одежд разного типа доказано, что можно проектировать конструкцию с заданной надежностью, не прибегая к прогнозированию вероятных отка-зов, а базируясь на статистическом анализе качества материалов, уровня технологий, вероятностных факторов природной среды. На основе фор-мулы распространения ошибок, известной из теории вероятности и пред-ложенной для дорожных конструкций И.А. Золотарем, вычисляется дис-персия функции (результата) на основе дисперсий составляющих ее эле-ментов [82]:

, ( 3.26)

где F – рассматриваемая функция , дисперсия которой находится ; – элемент функции (аргумент) и его дисперсия.

И.А. Золотарь, Ю.А. Мальцев [64,82], используя данную формулу, на

основе вероятностной природы геометрических и прочностных характе-ристик слоев дорожной одежды, разработали алгоритм расчета показателя дорожной конструкции (эквивалентного модуля упругости), обеспечи-вающего вероятность безотказной работы дороги не менее 0,95. Для этого использовали известные функциональные зависимости . На основании полученных статистических характеристик проектного реше-ния − формула (3.26) − оценивалась надежность конструкции, т.е. опреде-лялась вероятность ее безотказной работы в течение заданного периода (жизненного цикла) по формуле

, ( 3.27)

где P(t) – вероятность отказа; Н – вероятность безотказной работы (на-дежность конструкции).

Для функции Лапласа вид Ф(x) вероятность безот-казной работы конструкции имеет вид

, ( 3.28)

где β – минимально допустимое значение эквивалентного модуля E; и − значения функции Лапласа, которые приведены в

справочной литературе [83]; – математическое ожидание модуля упру-

98

гости, определенное как функция от случайных значений аргументов; – среднее квадратическое отклонение этого показателя.

При проектировании дорожной одежды можно управлять требова-

ниями к допустимым значениях показателей ровности, толщине слоев, ко-эффициентам уплотнения, модулям упругости и т.д. , ограничивая разброс их значений допусками и предельными значениями в соответствии с нор-мативными документами, тем самым обеспечивая однородность факторов, влияющих на качество и надежность дорожной конструкции. Возможно-сти влияния на изменчивость природных факторов при проектировании земляного полотна существенно ограничены, в процессе проектирования и строительства необходимо учитывать их и создавать определенные ус-ловия для проектирования в более однородной среде. Собственно все во-просы дорожного районирования направлены на решение именно этой за-дачи. Речь идет о том, что повышение однородности исходных данных при расчете устойчивости насыпей земляного полотна повлияет на ре-зультат, т.е. повысит устойчивость проектной конструкции на определен-ном участке.

Однородность геокриологических характеристик грунтов на ЛДК яв-ляется производной от большого количества факторов, учет которых и их регулирование позволяют повышать до определенного уровня однород-ность и качество проектных решений земляного полотна. В частности, устанавливая связь между коэффициентом вариации технологических па-раметров слоя дорожной конструкции и оценкой качества продукции при приемке работ, В.А. Семенов [122] приводит такие данные (табл. 3.3).

При расчете конструкций земляного полотна в условиях ММГ в ка-честве функции можно рассматривать вероятностные теплотехнические свойства насыпи определенной конструкции, в качестве аргументов мате-матические ожидания и дисперсии теплотехнических и физических харак-теристик грунтовых слоев основания и конструкции. Тогда надежность насыпи земляного полотна на ММГ, запроектированной по первому принципу проектирования, можно рассматривать как вероятность того, что отрицательная годовая температура в основании насыпи будет сохра-няться ниже температуры замерзания грунта, °С − см. формулу (1.1); для второго принципа проектирования должны обеспечиваться условия, при которых среднегодовая температура основания насыпи должна быть меньше и выше температуры замерзания грунта − см. формулу (1.2).

99

Таблица 3.3 Связь коэффициентов вариаций технологических параметров

с оценкой качества конструктивного слоя

Наименование параметра

Качественная оценка конструктивного слоя отлично хорошо удовлетворительно неудовлетворительно

Плотность зернистых ма-

териалов < 0,025 0,025-0,038 0,038-0,053 >0,053

Плотность грунта < 0,025 0,025-0,052 0,052-0,080 >0,080

Модуль упру-гости на слое

щебня < 0,15 0,15-0,21 0,21-0,26 >0,26

Толщина слоя щебня < 0,12 0,12-0,22 0,22-0,31 >0,31

Следовательно, для оценки тепловой устойчивости основания спра-

ведливы выражения: а) для первого принципа проектирования:

; (3.29) б) для второго принципа проектирования

, (3.28)

где минимально допустимое значение температуры замерзания грунта, °С; – отрицательная среднегодовая температура в основа-нии насыпи, °С; , – соответственно математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение температуры замерзания грунтового основания.

Показатели однородности (коэффициенты вариаций) геокриологиче-

ских характеристик на ЛДК приняты нами в пределах 0,3 в соответствии с ГОСТ 20522-2012 [36]. Для более глубокого анализа предельных значе-ний коэффициентов вариации параметров оснований в условиях ММГ необходимо продолжение исследований в этой области для обоснования эффективных размеров по протяженности ОТЕ и ЛДК. Обоснование принимаемых допусков должно выполняться с учетом экономических по-казателей и факторов надежности сооружений. Количественная оценка этой связи может служить предметом дальнейших исследований.

100

Пока можно сделать предварительные выводы: 1. Разработанная база данных конструкций земляного полотна на

ММГ позволяет провести расширенный поиск аналогов и прототипов с учетом природных условий местности и технических требований к соору-жению. Сформирован алгоритм последовательности действий при назна-чении аналогов. Обоснована структура БД на основе различных меро-приятий, позволяющих изменять процессы теплообмена в дорожных кон-струкциях, в т.ч. за счет конструктивных решений, оказывающих на грун-ты основания охлаждающее действие и не допуская многолетнего оттаи-вания за счет применения дополнительных элементов в грунтовом массиве.

2. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение для ПЭВМ позволяет моделировать варианты конструктивных решений зем-ляного полотна, создавать массив конструктивных решений с учетом при-родных условий, физико-механических свойств материалов в карьерах и других факторов . Алгоритмы и программа адаптированы как для реше-ний на основе ВСН 84-89, т.е. существующей нормативной базы, так и для новых программных средств и теплотехнических расчетов по обеспече-нию устойчивости основания земляного полотна. Расчеты с применением программ продемонстрированы на примерах, выполнена верификация программных продуктов , получен сертификат.

3. Разработана схема решения задачи эффективного закрепления конструктивных решений земляного полотна за участками линейно-дорожных комплексов. Разработан алгоритм и программное обеспечение для решения задачи выбора эффективных вариантов на основе комбина-торного метода по критерию минимизации дисконтированных затрат на строительство, капитальный ремонт, ремонт и содержание за срок службы дорожной конструкции. Разработанный алгоритм позволяет целенаправ-ленно управлять поиском рациональных решений и сократить количест-во итераций в 8−10 раз и более в зависимости от протяженности дороги и количества участков на ЛДК.

4. В итоге закрепления конструктивных решений за участками ЛДК формируется структура проектно-технологических модулей земляного полотна, которая служит основой для разработки вариантов организаци-онного проектирования: составов специализированных отрядов, их коли-чества и схем поточной организации работ.

5. На основе вероятностного подхода к оценке качества проектных решений и анализа исследований в этой области установлен механизм связи однородности факторов природной среды на ЛДК и качества про-ектных решений по обеспечению теплотехнических свойств земляного полотна на ММГ как показателя качества и его надежности.

101

Глава 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ПРИНЦИПАХ

СТРУКТУРНО-МОДУЛЬНОГО ПОДХОДА

4.1. Структура и взаимосвязь проектно-технологических модулей земляного полотна, модулей ресурсного

и фронтального обеспечения строительства

Общие подходы к многоуровневой декомпозиции объектов, принятые в промышленно-гражданском строительстве, предусматривают декомпо-зицию объекта на укрупненные модули, например: нулевой цикл, фунда-менты, каркас здания, перекрытия и т.д. Если следовать этому подходу, то на первом уровне декомпозиции линейного дорожного объекта преду-сматривается разделение дорожной конструкции на укрупненные элемен-ты (структурные модули): дорожная полоса; водоотводные и искусствен-ные сооружения, земляное полотно, дорожная одежда, обустройство доро-ги. Учитывая линейную неоднородность работ на структурных модулях в зависимости от меняющихся конструктивных и организационно-технологических решений по длине дороги, имеет смысл выполнить сле-дующий уровень декомпозиции путем деления каждого структурного мо-дуля на проектно-технологические модули (ПТМ) (рис. 4.1). Способы де-ления структурных модулей на ПТМ зависят от конструктивных решений элементов, требуют экономического и технологического обоснования для различных структурных модулей и условий строительства.

Рис. 4.1. Структурная декомпозиция линейного объекта на модули

102

С точки зрения структурной декомпозиции объекта (земляного по-лотна) совокупность участков по длине дороги с однотипной конструкци-ей земляного полотна на разных участках дороги можно рассматривать в качестве одного проектно-технологического модуля (ПТМ).

Авторы [71] в качестве элементов функциональной модели строи-тельного проекта рассматривают следующие модули: модуль выполняе-мых работ (МР), модуль ресурсного обеспечения (МО) и модуль фронтов работ (МФ) в качестве рабочего пространства осуществления рабочих процессов. По аналогии с предлагаемой ими организационно-технологической моделью простого технологического процесса обоб-щенную организационно-технологическую модель (ОТМ) проектно-технологического модуля структурного элемента дороги можно обоб-щенно представить в виде совокупности пространственно-технологических моделей конструктивных решений и функциональных моделей технологических процессов (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема связей проектных модулей в процессе

организационно-технологического моделирования

Рассмотрим реализацию данного подхода применительно к условиям строительства автомобильных дорог в сложных природных условиях, ко-гда значительно усложняются пространственные и временные связи меж-ду отдельными процессами. Сущность модульного принципа организации дорожного строительства в сложных природных условиях связана с выде-лением системообразующего блока, от которого будет зависеть распреде-

ОТМ проектно-технологического модуля

103

ление во времени и пространстве остальных компонентов производства. Таким системообразующим структурным модулем в дорожном строитель-стве на многолетнемерзлых грунтах являются линейные земляные работы.

Земляное полотно как часть дорожной конструкции в условиях крио-литозоны выполняет основную функцию – обеспечение устойчивости конструкции за счет сохранения определенного состояния грунтов в осно-вании автомобильной дороги. В процессе структурного проектирования одни структурные модули автомобильной дороги должны в основном предшествовать строительству земляного полотна (подготовка дорожной полосы, водоотводные сооружения), а другие (дорожная одежда, обуст-ройство и т.д.) осуществляться после завершения строительства земляного полотна, чаще с определенными технологическими или организационны-ми перерывами.

Самое большое влияние природные факторы в условиях криолитозо-ны оказывают на конструктивные решения и способы сооружения земля-ного полотна. Дорожное земляное полотно является линейным сооруже-нием большой протяженности, поэтому при проектировании необходимо учитывать не только различие конструктивных решений по длине дороги, связанных с высотными отметками (насыпи, выемки), но и разнообразие природно-климатических, геоморфологических и гидрогеологических ус-ловий, а при строительстве на многолетнемерзлых грунтах (ММГ) − осо-бенности мерзлотных условий.

Реализация разработанной методики линейного дорожного райониро-вания (главы 2, 3) на предпроектной стадии позволяет в процессе проек-тирования формировать рассредоточенные по длине трассы участки ЛДК с однотипными конструкциями земляного полотна и соответственно отно-сительно однородными условиями производства работ, которые можно рассматривать в качестве проектно-технологических модулей земляного полотна (ПТМ). В зависимости от характера распределения работ на уча-стке (линейные или сосредоточенные) проектно-технологические модули можно классифицировать на линейные ПТМ − ЛПТМ и сосредоточенные ПТМ – СПТМ.

Применительно к демонстрационному примеру, рассмотренному в подразделе 3.3 (см. табл. 3.2), формирование СПТМ и ЛПТМ на участках ЛДК представлено в табл. 4.1.

Организационно-технологическая модель сооружения земляного по-лотна может быть реализована с разным характером использования ресур-сов (модуль ресурсного обеспечения), освоения частных фронтов работ (модуль фронта работ), с технологическими и организационными ограни-чениями на связи между работами и соответственно с разными технико-экономическими показателями.

104

Таблица 4.1

Формирование СПТМ и ЛПТМ на участках ЛДК

Номер участка(j) на i-м ЛДК, обо-

значение i.j

Протяжен-ность участка

, км

Тип конст-рук-

тивного решения, p

Тип и номер проект-но-технологического

модуля

1.1 0,5 3 ЛПТМ-1 2.1 0,4 3.1 0,3 4 ЛПТМ-2 2.2 0,4 3 ЛПТМ-1 4.1 0,1 1 СПТМ-1 3.2 0,3

4 ЛПТМ-2

5.1 0,7 3.3 0,4 6.1 0,2 3.4 0,3 5.2 0,3 3.5 0,3 7.1 0,3 3 ЛПТМ-1 2.3 1,0 8.1 0,2 2 СПТМ-2 2.4 0,5

4 ЛПТМ-2 6.2 0,2 4.2 0,5 9.1 0,6 3 ЛПТМ1 10.1 0,4

Ю.А. Мальцев [82], рассматривая модульный принцип в дорожном строительстве с точки зрения построения производственных подразделе-ний для некоторых типовых элементов, называемых модулями, сравнивал их с блоками (конструкциями), из которых собирается здание. Разделяя модули на три вида , он к первому виду относит низовые подразделения , выполняющие однотипные работы, второй, третий тип − более укрупнен-ные структуры, связанные с общим управлением строительством. Моду-ли первого типа являются структурами узко специализированными и мо-гут рассматриваться как частные строительные потоки при поточном ме-тоде организации работ. Эти структуры реализуют частные задачи и по-этому создаются с учетом принятой технологии производства работ на ос-нове технологических карт. Если типовые технологии отсутствуют, то со-став производственного модуля может назначаться в соответствии с рас-четом. Например, при заготовительно-транспортных работах при строи-тельстве земляного полотна структура ресурсного модуля «Экскаватор −

105

автомобили» может быть оптимизирована с позиций теории массового об-служивания. Схема декомпозиции «Цель − структуры» представлена на рис. 4.3 [82].

Производственные модули в нашем случае рассматриваются как мо-дули ресурсного обеспечения, т.е специализированные отряды для произ-водства основных и вспомогательных работ. Схему 4.3 имеет смысл до-полнить следующими уровнями декомпозиции, связанными с ресурсным обеспечением проектно-технологических модулей (рис. 4.4).

Структура, реализующая цель Ц0 (ФГУП, государственное учреждение)

C1 C2 Cr

П1 Пj Пn

СП1 СП2 СП3 СПl СПm

Структуры, реализующие цели Ц01, Ц02, Ц03,..,Ц0R (строительный участок, управление...)

Структуры, реализующие цели Ц011, Ц012,..,Ц0ij (типа «прорабский участок»)

Бульдозеры (Б, ед.)

Скреперы (С, ед.)

Автосамосвалы (А, ед.)

Катки (К, ед.)Экскаваторы

(Э, ед.)

4-й

шаг

3-й

шаг

2-й

шаг

1-й

шаг

Пост

роен

ие ст

рукт

уры

Деко

мпоз

иция

цел

ей

Рис. 4.3. Схема формирования организационной структуры

специализированного подразделения СП

106

Объект

Структурные модули

Проектно-технологические модули

Автомобильная дорога

Земляное полотно

Дорожная одежда

Искусственные сооружения

ПТМ 1

ПТМ 2

ПТМ 3

ПТМ 4

Обустройство

ПТМ 1

ПТМ 2

ПТМ 1

ПТМ 2

ПТМ 3

ПТМ 4

ПТМ 1

ПТМ 2

ПТМ 3

ЛПТМ 1 СПТМ 1 ЛПТМ 2 ... ЛПТМ NТип ПТМ

СП 1 СП 2 СП 1 СП 3

Рис. 4.4. Структурная декомпозиция линейного объекта. СП – структурные подразделения (специализированные отряды)

4.2. Моделирование параметрами отрядов при строительстве земляного полотна на участках

проектно-технологических модулей

Земляное полотно на ММГ представляет собой сложное многослой-ное сооружение, состоящее из нескольких конструктивных слоев, иногда разделенных прослойками из материалов с разной теплопроводностью, для обеспечения тепловой устойчивости многолетнемерзлого основания. Эти слои могут сооружаться в разные сезоны года (зимний или летний), разными технологическими способами, возможно с организационно-технологическими перерывами, одним или разными специализированны-ми отрядами.

В общем случае с учетом вышеназванных обстоятельств продолжи-тельность возведения конструкции k-го типа на j-м участке i-го ПТМ рассчитывается по формулам

, ( 4.1)

, ( 4.2)

, ( 4.3)

107

где − сменная производительность р-го механизированного отряда на j-м участке i-го ПТМ при выполнении s- го технологического процесса в -м месяце, ед.изм./смена; − объем работ s-го технологического процесса для конструкции k-го типа на j-м участке i-го ПТМ, ед. изм.;

свойства m-го материала (грунта) для s-го технологического про-цесса k-й конструкции в -м месяце; − коэффициент, учитывающий се-зонность работ.

Опыт разработки организационно-технологических схем при строи-

тельстве земляного полотна железнодорожных магистралей в северных условиях показал, что на сложных объектах «особенно важно учитывать взаимосвязь конструктивных параметров, технологических функций, эко-логических требований и организационной структуры строительного про-изводства» [129, 151]. На наш взгляд, при согласовании трех типов реше-ний: конструктивного, технологического и организационного домини-рующим должно быть конструктивное решение, обоснованное расчетами (особенно при строительстве на многолетнемерзлых основаниях). Для формирования вариантов технологических и организационных способов реализации конструктивного решения эффективно использование в ком-плексе методик функционально-стоимостного, функционально-структурного, морфологического анализов [50].

На рис. 4.5 представлен алгоритм расчета параметров специализиро-ванных отрядов на проектно-технологических модулях. Комплекс работ по сооружению земляного полотна может быть выполнен с разным харак-тером использования ресурсов и освоения частных фронтов работ (по уча-сткам ПТМ), с технологическими и организационными ограничениями на связи между работами, и следовательно, с разными технико-экономическими показателями.

При определении производительности и структуры отрядов в слож-ных природных условиях особую роль играет научно обоснованное нор-мирование производственных процессов. Общее определение техническо-го нормирования – это установление технически обоснованных норм за-трат труда, машинного времени и материальных ресурсов на единицу продукции. Проектирование производственных норм может осуществ-ляться двумя методами технического нормирования: расчетно-исследовательским и расчетно-аналитическим [88,89].

Расчетно-исследовательский метод достаточно трудоемок, требует специальных знаний, фотохронометражного учета времени выполнения операций и в большей степени может быть использован при проектирова-нии производства работ непосредственно в низовых дорожных организа-

108

циях (на уровне подрядчика). При расчетно-аналитическом методе ис-пользуют паспортные показатели работы машины, которые косвенно ха-рактеризуют техническую производительность машины и устанавливают-ся в различных условиях при полигонных испытаниях.

Lijm - протяженность j-го участка на i-м

ПМК (тип конструкции k)Ввод исходных данных:

Описание s-го технологического процесса

(s=1 – нижний слой конструкции); Сезонность процесса : s(з)-зимний, s(л)-

летний, к-круглогодично)

Поставщик m-го материального ресурса для

s-процесса

Состав p-го специализированного отряда.

Ведущие машины

Расчет производительностИ

Ss ,1=

s:=s+1

j<J i<I

Расчет сроков производства работ

j:=j+1 i:=i+1

Ii ,1=

Завершение расчета

Jj ,1= Кк ,1=

ДА

ДАДА

НЕТ

НЕТНЕТ

𝜏𝜏𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 = 𝑄𝑄𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 /П𝑝𝑝𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑝𝑝

П𝑝𝑝𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑝𝑝 = 𝑓𝑓(𝜃𝜃𝑚𝑚𝑖𝑖𝑝𝑝𝑖𝑖 ,𝛼𝛼)

Рис. 4.5. Расчет параметров специализированных отрядов на ПТМ

На стадии проектирования организации строительства более прием-

лем второй метод, если в нормативах отсутствует объективная оценка производительности принятых машин (импортное производство).

Нормативная эксплуатационная производительность машины, по ко-торой затем определяют норму времени на выполнение единичного изме-рителя работ, определяется по формулам [88]

, ( 4.4)

где Пт, Пэ, Пн – соответственно часовые техническая, расчетная эксплуа-тационная и нормативная эксплуатационная производительности машины;

109

Ки − коэффициент использования машины по времени, учитывающий регламентированные перерывы; Кприв − коэффициент приведения часовой расчетной эксплуатационной производительности Пэ к нормативной.

Условия работы дорожных машин многовариантны. Так, при техни-

ческом нормировании разработки грунта бульдозером Komatsu разраба-тывается 240 различных по величине норм времени, которые учитывают 10 видов грунта с разным углом естественного откоса, состояние грунта (сухой, влажный , мокрый), четыре варианта уклона или подъема на пути перемещения грунта.

Техническая норма на разработку грунта экскаватором Caterpiller, определяемая на основе расчетно-аналитического метода, учитывает сле-дующие факторы: условия разгрузки (в отвал, в транспортные средства); группа грунта (6 групп по сложности разработки); вид ковша (прямая, об-ратная лопата, драглайн); угол поворота, град. (90, 110, 135, 150, 180).

Нормы времени на разработку 100 м3 грунта экскаватором Caterpiller 320L в диапазоне от самых легких до самых сложных условий меняются от 0,3 до 4,9 маш.-ч.

Для расчета технических и эксплуатационных производительностей машин, норм времени на производство работ нами разработано про-граммное обеспечение на базе MS Excel [96].

Результаты многолетних нормативных наблюдений показывают, что численная величина Ки для различных машин устойчиво сохраняется на уровне 0,7 − 0,8, однако может уточняться для разных видов машин.

С помощью коэффициента приведения усредняется влияние органи-зационно-технологических условий выполнения процесса, мастерство машиниста и техническое состояние машины и определяется нормативная эксплуатационная производительность.

Например, при работе комплектов «погрузочные средства − автомо-били» эксплуатационная производительность отряда может определяться исходя из расчетной производительности погрузочных средств. В то же время выполненные исследования и практический опыт доказывают, что для различных условий работы можно рассчитать более рациональную схему закрепления автомобилей за погрузочным средством, учитывая ве-роятностный характер функционирования данной системы [66]. Оптими-зация составов соответствующих звеньев с позиций теории массового об-служивания позволяет повысить производительность отряда на 18 − 20 % . При этом коэффициент условий работы меняется в пределах 0,65 − 0,75. Именно нормирование технологических процессов позволит определить рациональные условия организации производства и выявить резервы по-

110

вышения темпов работ, производительности труда и экономии энергети-ческих ресурсов.

Вариантное проектирование составов отрядов осуществляется исходя из критерия энергосбережения при работе на проектно-технологическом модуле с учетом условий производства работ и производительности от-дельных машин отряда по формуле [75]

, ( 4.5)

где – затраты энергии на единицу работ, МДж/м3; – энергетический эквивалент, МДж/ч; П – производительность машины, м3/ч.

, ( 4.6) где – норма расхода топлива, л/ч; q - удельная теплота сгорания, МДж/л.

Общие энергозатраты на производство земляных работ на ПТМ опре-

деляются по формуле

, ( 4.7) где – энергозатраты специализированного отряда на выполнение комплекса земляных работ на ПТМ, МДж; – энергозатраты каждого звена отряда, МДж; n – количество звеньев разнотипных машин в отряде (n = 1…N); – объем работ n-го звена, м3; – энергозатраты на едини-цу объема работ m-й машины в n-м звене, МДж/м3; m– количество одно-типных машин в звене (m = 1…M), шт.

Данный показатель может служить критерием для сравнения и обос-

нованного выбора специализированных отрядов при выполнении работ на различных проектно-технологических модулях автомобильной дороги.

При сравнении вариантов взаимосвязанных конструктивных и орга-низационно-технологических решений в линейном строительстве с дли-тельным периодом освоения капитальных вложений дисконтированные капитальные затраты рассчитывают по каждому структурному модулю c месячным шагом расчета по формуле

, ( 4.8)

111

где − дисконтированные капитальные затраты по k-му варианту орга-низационно-технологического решения на r-м структурном модуле (зем-ляное полотно), тыс. руб; – затраты на подготовительные работы в период t,тыс .руб; − количество рабочих смен работы на j-м участке i-го проектно-технологического модуля (ПТМ) в интервале планирования t;

– стоимость машино-смены работы p-го специализированного отряда на i-м модуле, тыс. руб; t – месячный интервал планирования (шаг рас-четного периода); T – расчетный период строительства дороги с макси-мальной продолжительностью по вариантам, мес.; – месячная норма дисконта.

Суммарные дисконтированные капитальные вложения в строительст-

во автомобильной дороге рассчитывают, суммируя дисконтированные ка-питальные вложения основного и обеспечивающих производств на каж-дом шаге расчета по всем структурным модулям.

Реализацию модульного принципа при разработке ПОС продемонст-рируем на примере строительства участка автомобильно дороги III техни-ческой категории на многолетнемерзлых грунтах в Саха-Якутии (I ДКЗ). Описание конструкций по вариантам и закрепление этих конструкций за участками ЛДК на основе проектно-технологического моделирования представлено в подразделе 3.3 (табл. 3.2).

Разработано два варианта строительства земляного полотна на ММГ. Первый вариант – один специализированный отряд поточным методом ведет строительство земляного полотна с разными конструктивными ре-шениями на всех линейных ПТМ (рис. 4.6,а), второй вариант – работают два специализированных отряда (ЛПТМ-1, ЛПТМ-2) параллельно-поточным методом (рис. 4.6,б). В соответствии с предложениями [129] во втором варианте строительство ведется в два этапа. На первом этапе на всю длину участка строится дорога высотой не более одного слоя земля-ного полотна, совмещенная со строящимся земляным полотном, но уши-ренная в нижней части насыпи для проезда транспорта и передислокации строительной техники.

Рассчитаны сроки и затраты на подготовительные работы отдельно по каждому варианту организации работ. Строительство дорожной одежды предусмотрено в летний строительный сезон одним потоком на всем про-тяжении с учетом технологических перерывов после строительства земля-ного полотна по каждому из вариантов. Расчеты дисконтированных капи-тальных затрат выполнены по формуле (4.8). В расчет не включены за-траы на сосредоточенные работы и искусственные сооружения, так как ни совпадают по срокам и объемам для обоих вариантов организации работ.

112

Рис. 4.6. Схема строительства земляного полотна на участках ПТМ: а − 1-й вариант − один специализированный поток; б − 2-й вариант –

параллельно-поточный метод

113

Для примера взят небольшой участок (7 км). Деление на проектно-технологические модули получилось достаточно дробным. В дальнейшем будет исследован вопрос о возможности увеличении протяженности ПТМ исходя из степени однородности конструктивных и технологических ре-шений.

Для расчета вариантов календарного графика в составе ПОС мы ис-пользовали программы «Potok-СибАДИ» [19] и MS Project Professional 2010. Схема расчета чистого дисконтированного дохода по вариантам изображена на рис. 4.7. В качестве доходов от строительства дороги при-няты только доходы в транспортной сфере. Срок строительства по второ-му варианту сокращен на 9 месяцев, индекс доходности по первому вари-анту составил 1,078; по второму варианту (с параллельно-поточной орга-низацией работ) – 1,236.

Рис. 4.7. Интегральный дисконтированный эффект по двум вариантам

организации строительства

4.3. Имитационная модель проектирования организации строительства дорог на многолетнемерзлых грунтах

Для моделирования производства работ в сложных условиях наиболее

приемлемой с научной и практической точки зрения можно считать мето-дологию управления проектами (УП) [27,34,134, 135,150,157]. С позиций проектного управления составление календарного плана включает сле-дующие процедуры:

1-й вариант

2-й вариант

114

− структурная декомпозиция работ проекта, исходя из конструк-тивно-технологических особенностей объекта;

− установление последовательности и взаимосвязей работ с ис-пользованием организационно-технологических моделей;

− оценка потребности работ проекта в ресурсах на основе нормати-вов;

− определение продолжительности работ с учетом ограничений по ресурсам;

− разработка вариантов графика работ и потребности проекта в ре-сурсах по периодам строительства;

− оптимизация графиков работ по временным, ресурсным и стои-мостным критериям.

Наиболее проработанные в настоящее время модели формируют стандартный подход к управлению жизненным циклом проекта. Эти мо-дели имеют лучшее на современном этапе программное обеспечение, в том числе Microsoft Project 2010, Spider Project, Primavera, Sur e T rak Project и др. Техника разработки календарного графика отображена на рис. 4.8.

Реализация процесса планирования по приведенной схеме (см. рис. 4.8) позволяет в автоматическом режиме формировать различные графи-ческие модели календарного планирования: линейные графики Ганта, се-тевые модели. MS Project автоматически формирует критический путь проекта, т.е. выделяет задачи, которые определяют длительность проекта в целом и не имеют резервов времени.

Кроме планирования современное программное обеспечение позволя-ет решать многие задачи управления ресурсами и сроками: корректиро-вать графики при отклонении от плана, выравнивать потребности ресур-сов, 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 дополнитель-ных 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 [129] порядок моде-лирования сетевых графиков в природно-технологических системах учи-тывает ряд особенностей, связанных со строительством земляного полот-на на многолетнемерзлых грунтах (ММГ), но оставляет нерешенными во-просы расчета некоторых параметров самих графиков.

115

Рис. 4.8. Принципиальная схема разработки календарного плана

в программе Microsoft Project 2010

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 продолжитель-ность. В то же время для определения сроков производства работ на про-ектно-технологических модулях, для оценки величины фронтальных свя-зей между процессами необходимы дополнительные расчеты с использо-ванием специальных организационно-технологических моделей.

В работах [19,31,94] дано обоснование перехода от моделей «времен-ного типа», в которых рассматривается степень совмещения работ во вре-мени, к моделям «объемного типа», в которых увязка работ осуществляет-ся по степени совмещения по фронту работ, применительно к строитель-ству линейно-протяженных объектов.

116

Такая зависимость выражается условиями [33, 94]

VB (t) =0 при VA(t) ≤ VC ; (4.9)

VB (t) ) ≤ VA(t) – VС при VС ≤ VA(t) ≤ VA , (4.10)

где VA(t) , VB (t) – объемы работ A и B , выполняемые к моменту t ; VC – величина задела, т.е. объем работы A, который нужно выполнить прежде, чем приступить к работе B ; VA – полный объем работы A.

Из известных имитационных моделей наиболее соответствует требо-

ваниям линейного транспортного строительства в сложных условиях ор-ганизационно-технологическая модель, представленная в работах [18,19,94], так как именно в ней учитываются следующие факторы:

− неравномерность распределения объемов работ по длине дороги; − разные конструктивные решения земляного полотна, связанные с

изменением природных факторов на отдельных участках; − изменение сменной производительности отрядов по длине дороги

под действием климатических, технологических и организационных фак-торов;

− 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 особен-ностям работы отрядов при возведении земляного полотна на ММГ. Тре-буется определенная модернизация модели для учета следующих факто-ров:

− 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 ме-

тодом разными специализированными отрядами при параллельном произ-водстве работ на проектно-технологических модулях;

− возможность задания разных сроков начала работ специализиро-ванным 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, предпо-

117

лагающей декомпозицию линейно-протяженного объекта на проектно-технологические модули. При этом возможно задание разных сроков ра-боты специализированных отрядов на ПТМ с учетом наиболее благопри-ятных условий для производства работ по определенной технологии.

Работу специализированных отрядов при сооружении земляного по-лотна должны обеспечивать вспомогательные подсистемы, деятельность которых должна быть синхронизирована во времени с основными рабо-тами или минимально опережать их. Связи между работами определяются следующими условиями:

− множество работ s+ , непосредственно выполняемых после работы s;

− множество работ s- , непосредственно выполняемых перед рабо-той s;

− множество подготовительных работ q- , предшествующих . В разработанной математической модели организации работ на уча-

стках ПТМ условия взаимодействия технологических процессов по вре-менным параметрам формализованы и представлены в виде следующих зависимостей [16,52]:

1. Расчет сроков начала и окончания технологических процессов на участках ПТМ:

; ; , ( 4.11)

где , , − соответственно даты возможного начала, начала, окончания и продолжительности выполнения s-го технологического про-цесса на j-м участке i-го ПТМ, сутки; − соответственно про-должительности передислокаций, технологических и организационных перерывов в работе отрядов, сутки.

2. Условия выполнения технологических процессов в определенные сезоны года (лс) − летний; (зс) – зимний:

; ( 4.12)

, ( 4.13)

где − соответственно сроки начала и окончания летнего и зимнего сезонов.

3. Условие предшествования или совмещения подготовительных и основных работ на общем фронте (ПТМ) по временным параметрам:

;

118

при 0 , ( 4.14) где − соответственно срок окончания и продолжительность подго-товительных работ, сутки; β – относительный показатель совмещения ос-новных и подготовительных работ во времени; при β = 1 подготовитель-ные и основные работы начинаются одновременно.

Проектирование организации строительства других структурных мо-дулей автомобильной дороги (искусственных сооружений, слоев дорож-ной одежды, обустройства) выполняется также с использованием деления на проектно-технологические модули. При однотипной конструкции слоев дорожной одежды на небольших участках дороги каждый конструктив-ный слой может рассматриваться как один проектно-технологический мо-дуль. Работы на конструктивных элементах, предшествующих строитель-ству земляного полотна (участки сосредоточенных работ, искусственные сооружения и т.д.), как правило, должны быть завершены к подходу ли-нейных специализированных отрядов.

В комплекс подготовительных работ включаются чаще всего сле-дующие работы:

− подготовка карьеров, снятие растительного слоя; − заготовка в бурты глинистого грунта для упорных призм; − заготовка торфа, просушивание в валах; − заготовка торфопесчаной смеси; − очистка дорожной полосы от леса и кустарника; − строительство автозимников, подготовка землевозных дорог; − устройство водоотводных канав и труб; − устройство мерзлотных валиков для водоотвода; − подготовка карьеров к разработке в зимних условиях буровзрыв-

ным методом; − создание и развитие производственной базы строительства. Перечень подготовительных и вспомогательных работ уточняется в

конкретном проекте с детальным расчетом объемов работ. На рис. 4.9 приведен фрагмент укрупненного сетевого графика строительства земля-ного полотна на участке автомобильной дороге «Лена» в условиях высо-котемпературной мерзлоты, рассчитанного с применением программных комплексов «POTOK+» и «Project Professional 2010».

При расчете календарного графика организации строительства авто-мобильной дороги между структурными модулями обеспечиваются фрон-тальные и технологические связи в зависимости от степени готовности предшествующего элемента конструкции [19].

119

Рис. 4.9. Фрагмент сетевого графика строительства земляного полотна на ММГ Выполнение комплекса подготовительных и обеспечивающих работ в

условиях Севера играет важную роль и должно быть увязано со сроками выполнения работ основных структурных модулей. Состав и содержание проектных решений и документации в ПОС определяют в зависимости от вида и сложности объекта строительства. Общая направленность органи-зационно-технологических решений ПОС должна способствовать свое-временному вводу в действие объектов строительства с наименьшими за-

120

тратами трудовых, материальных и топливно-энергетических ресурсов при обеспечении качества работ в соответствии с техническими регламен-тами и стандартами. Предлагаемые методы организационно-технологического проектирования и программное обеспечение были ис-пользованы при разработке проектной документации на объектах общей протяженность 47,4 км.

Проектирование организации работ на проектно-технологических модулях при строительстве земляного полотна выполняется в следующей последовательности:

1. Выполнение линейного дорожного районирования на основе полного комплекса инженерных изысканий.

2. Проектирование конструкций земляного полотна на участках ЛДК с относительно однородными природными условиями.

3. Обоснование выбора варианта конструкции. 4. Выделение участков с региональными природными особенностя-

ми (глубокие выемки, болота, подходы к мостам, мари и т.д.) в отдельные модули для сосредоточенных работ − сосредоточенные проектно-технологические модули (СПТМ).

5. Уточнение количества линейных проектных модулей (ЛПТМ). При однотипных конструктивных решениях земляного полотна на разных ЛДК возможно их объединение в укрупненный линейный проектно-технологический модуль.

6. Составление перечня подготовительных и сопутствующих работ. 7. Расчет объемов работ на проектно-технологических модулях. 8. Вариантное проектирование линейных графиков строительства

по схемам: а) последовательно поточный метод – один отряд для выполнения

всех линейных работ на дороге; б) формирование организационной схемы для параллельно-поточного

метода на ЛПТМ; 9. Критериальная оценка и выбор варианта организации строительст-

ва. Обобщенная схема структурно-модульного проектирования с учетом

разработанных рекомендаций представлена на рис. 4.10.

121

Анализ и обработка информации по результатам инженерных изысканий трассы дороги. Группировка и оценка природно-

климатических, геологических и гидрогеологических факторов

Реализация методики линейного дорожного районирования (ЛДР) трассы. Создание линейных дорожных комплексов (ЛДК) с учетом

зональных, интразональных и региональных факторов

Проектирование и расчет дорожных конструкций с учетом параметров ЛДК.Формирование проектно-технологических

модулей (ПТМ)

Расчет организационно-технологических параметров специализированных отрядов на (ПТМ)

Расчет вариантов сетевых графиков организации строительства земляного полотна

Технико-экономическое обоснование выбора варианта организации строительства

Рис. 4.10. Схема структурно-модульного проектирования земляного полотна на ММГ

4.4. Оценка экономической эффективности проектных решений земляного полотна на ММГ с учетом прогнозирования

состояния дорожной конструкции В соответствии с современными методами экономической оценки

эффективности инновационных мероприятий в дорожном строительстве необходимо учитывать не только капитальные вложения, но и дисконти-руемые эксплуатационные затраты на ремонт и содержание дорог, доходы пользователей дорог, а также экологические результаты дорожной дея-тельности за период срока службы дорожной конструкции [46].

Технико-экономическое сравнение и выбор вариантов конструктив-ных и организационно-технологических решений должны производиться на основе прогнозных оценок технического состояния автомобильной дороги.

Трудности технического прогнозирования состояния дорожных объ-ектов на ММГ связаны с недостаточной и неполной информацией о фак-

122

тическом состоянии различных дорожных конструкций с применением новых материалов и технологий в межремонтный период.

Как правило, оценка эффективности инновационных решений бази-руется на увеличении сроков службы и снижении затрат при эксплуатации дороги. Эти показатели не всегда подкреплены наблюдениями за реаль-ными объектами в различных климатических условиях РФ и в дальней-шем должны уточняться, так как при назначении новых конструктивных решений необходимо исключать субъективный подход.

Поскольку затраты на сооружение и эксплуатацию земляного полотна существенно зависят от возможной осадки грунтов основания и тела на-сыпи, в нормативной и научной литературе предлагаются различные ме-тоды ее прогнозирования. Прогнозирование – это способ научного пред-видения, в котором используется накопленный опыт и вырабатывается научно обоснованное суждение о возможном состоянии объекта в буду-щем. При этом, в отличие от экономического, научно-технический про-гноз определяет натурально-вещественное состояние прогнозируемого объекта.

Согласно общей теории прогнозирования [113] процесс прогнозиро-вания можно представить как некоторое операторное преобразование (П) исходной информации об исследуемом объекте в виде ее отображения на будущее, ограниченное глубиной прогноза:

, ( 4.15)

где П – оператор прогнозирования; I – информация об исходном состоя-нии объекта; – период упреждения прогноза (горизонт прогноза); R – результат прогноза.

Оценка прогноза выполняется в определенных, наиболее вероятных внешних условиях. Из большого количества методов прогнозирования наиболее приемлемы для прогнозирования состояния дорожных конст-рукций на ММГ методы комбинированного и структурного прогнозиро-вания, позволяющие найти решение при сохранении функций объекта, но при изменении значений внешних параметров прогнозирования. Напри-мер, в качестве моделей структурного прогнозирования можно использо-вать модели теплофизических режимов в жизненном цикле конструкций [8,108,144].

Для оценки точности прогнозирования используют коэффициент парной корреляции между последовательностями прогнозных значений для разных моделей. Наиболее распространенными оценками точности прогнозирования являются средняя ошибка аппроксимации и средняя квадратическая ошибка прогнозов.

123

Различные методы прогнозирования теплотехнического режима до-рожных конструкций позволяют оценить необходимые объемы земляных работ для компенсации строительных и эксплуатационных осадок. Расчет дополнительных объемов работ за счет осадки при строительстве по 2-му принципу выполняют по методике, приведенной в [102].

Суммарную осадку S насыпей определяют по формуле

, (4.16) где So − величина осадки, возникающая при оттаивании ММГ основания, см; Sд − осадка насыпи за счет деформации грунтов деятельного слоя, см; Sc, − осадки, происходящие соответственно в строительный и эксплуа-тационный периоды, см.

Процесс формирования осадок насыпей во времени за счет оттаива-ния и уплотнения ММГ основания можно описать зависимостями на ос-нове экспериментальных данных для конкретных регионов и типов конст-рукций дорог. Так, в работе [102] прогнозируемая осадка описывается формулой

, ( 4.17)

где e − основание натурального алгоритма; Т –время осадки оттаявших грунтов основания, годы; β, f − параметры зависимостей, отражающие влияние местных условий на осадку оттаивающих грунтов основания (для насыпей от 2 до 4 м β=79,000; f = −0,070).

Строительные осадки грунтов основания как на стадии рекогносциро-вочных изысканий, так и на стадии составления рабочих чертежей для разной высоты насыпи определяют по формулам [65]. В расчетах строи-тельной осадки грунтов следует учитывать время производства работ (ле-то, зима), технологию и организацию возведения земляного полотна и подготовительных работ.

В качестве примера оценки эффективности рассмотрим два типа кон-струкций земляного полотна автомобильной дороги III технической кате-гории. (рис. 4.11, а, б). Конструкции дорожной одежды приняты по дан-ным проектной документации (Транспроект). Конструкция дорожной одежды представлена в следующем виде: покрытие из горячего плотного мелкозернистого асфальтобетона типа Б II марки на модифицированном битуме ПБВ 130 толщиной h = 5 см; верхний слой основания из пористого крупнозернистого асфальтобетона II марки на битуме марки БНД 90/130 толщиной h = 7 см; основание из черного щебня, приготовленного в уста-

124

новке, уложенного по способу заклинки, толщиной h = 8 см; нижний слой основания из щебеночно-песчаной смеси С-4 толщиной h = 22 см; рабочий слой грунта земляного полотна из крупнообломочного грунта h = 100 см. Характеристики конструктивных слоев земляного полотна приведены на схеме (рис. 4.11).

Снижение затрат на второй вариант конструкции (рис. 4.11, а) полу-чено за счет:

− уменьшения объема привозных качественных грунтов и откры-вающихся возможностей использования в нижней части насыпи местных мерзлокомковатых грунтов с сохранением их в мерзлом состоянии с по-мощью конструктивных методов;

− сокращения сроков строительства и ускорения ввода дороги в эксплуатацию;

− повышения надежности и долговечности конструкции, устраи-ваемой с сохранением вечной мерзлоты;

− снижения экологического ущерба при строительстве дорог в зоне вечной мерзлоты;

− снижения затрат на ремонтные работы. Распределение строительных затрат во времени соответствует

следующим графикам производства работ. Вариант 1. Строительство земляного полотна (рис. 4.11, а) осущест-

вляют в летнее время из талых грунтов. Заготовку талого глинистого грунта выполняют частично в предшествующий летний период, частично по мере оттаивания из резервов в летнее время. Очистка полосы отвода от леса и кустарников выполняется в зимнее время. Растительный слой со-храняется. Дорожную одежду строят в две стадии: щебеночное основание – через год после строительства земляного полотна и досыпки земляного полотна на величину осадки деятельного слоя под насыпью. Учитывая продолжительный период стабилизации осадки основания насыпи при летнем строительстве земляного полотна, к строительству покрытия при-ступают только на третий год – в летнее время.

Вариант 2. Сооружение земляного полотна (рис. 4.11, б) осуществ-ляют в зимнее время из мерзлых грунтов. В предшествующий летний се-зон осуществляют подготовку карьеров со снятием растительного слоя. Заготовку торфа выполняют ранней весной с просушиванием в валах в летнее время. После просушивания производят заготовку торфопесчаной смеси для укрепления откосов. Осенью ведут подготовку карьеров к буро-взрывным работам. Очистку дорожной полосы от леса и кустарника вы-полняют после промерзания растительного слоя в начале зимы.

125

Рис. 4.11. Схемы конструкций земляного полотна:

а − второй принцип проектирования: 1 − крупнообломочный грунт; 2 − суглинок легкий; 3 − почвенно-растительный слой; 4 − щебенистый грунт с супесчаным

и суглинистым твердым заполнителем до 27,4 %; 5 − дресвяный грунт с супесчаным и суглинистым заполнителем, мерзлый, малольдистый; 6 – верхний горизонт

многолетнемерзлых грунтов (ВГММГ); б − первый принцип проектирования: 1 – крупнообломочный грунт; 2 – суглинок

легкий мерзлый; 3, 5 – геотекстиль; 4 – крупнообломочный скальный грунт; 6 – торф; 7 – почвенно-растительный слой; 8 − щебенистый грунт с супесчаным и суглинистым

твердым заполнителем до 27,4 %; 9 – ВГММГ до строительства насыпи (после строительства поднят к основанию насыпи); 10 − дресвяный грунт

с супесчаным и суглинистым заполнителем, мерзлый, малольдистый

В этот же период готовят автозимники и землевозные дороги для экс-плуатации в зимний период при строительстве земляного полотна. Дол-жен быть обеспечен водоотвод от земляного полотна путем устройства водоотводных канав в летнее время. В зимнее время устраивают специ-альные мерзлотные валики. Разработку мерзлых глинистых грунтов и скального грунта осуществляют буровзрывным методом. Строительство нижнего слоя основания по этому варианту предусматривается в следую-щий летний сезон, укрепленных слоев основания и покрытия − через год.

Для упрощения расчетов из всех положительных результатов от строительства дороги в данном примере учтен только эффект в сфере транспорта, рассчитанный по формуле

, (4.18)

где tN − среднегодовая суточная интенсивность движения в t-м году; c − среднее снижение себестоимости одного автомобиле-километра (при сравнении: старая дорога − новая дорога), тыс.руб.; – количество дней

126

эксплуатации дороги в t-м году; L − протяженность эксплуатируемого участка дороги, км.

Среднесуточная интенсивность движения и прирост интенсивности приняты по проектным данным. Включение других видов доходов (соци-ального и внетранспортного) мало изменит соотношение результатов по двум вариантам, но сократит сроки окупаемости капиталовложений.

Моделирование дисконтированных удельных затрат и доходов из расчета на 1 км участка дороги выполнено за расчетный период 17 лет и представлено на рис. 4.12. По результатам расчета интегрального дисконтированного эффекта преимущество имеет второй вариант.

Рис. 4.12. Интегральный дисконтированный эффект по двум вариантам Выполненная оценка эффективности проектных решений позволяет сделать следующие выводы:

1. Декомпозиция элементов дорожной конструкции на проектно-технологические модули, учет особенностей фронтальных и технологиче-ских связей между работами в разработанной математической модели ка-лендарного планирования позволяют вести вариантное проектирование организации работ при строительстве дорог в условиях многолетнемерз-лых грунтов.

2. Использование предлагаемой математической постановки при решении задач структурно-модульного проектирования организации ра-бот при строительстве земляного полотна создает условия для выбора и осуществления эффективных вариантов организации строительства дорог на основе рационального подбора составов отрядов по критерию энерге-тических затрат, технического нормирования применяемой новой техники

Вариант 1 − летнее строительство

Вариант 2 − зимнее строительство

127

в северных условиях. В приведенном примере в результате использова-ния схемы параллельно-поточной организации работ и модульного прин-ципа проектирования индекс доходности увеличился на 14,6 %. Уточне-ние схем организации работ и расчет экономической эффективности не-обходимо выполнять в составе ПОС для каждого объекта с учетом при-родных условий и конструктивных решений.

3. Все дорожные проекты при строительстве на многолетнемерз-лых грунтах должны рассматриваться и оцениваться с точки зрения их эффективности при сравнении вариантов дорожных конструкций и мето-дов организации работ на протяжении срока службы до капитального ре-монта. Важную роль при этом играет прогнозирование технического со-стояния дорожной конструкции в период жизненного цикла. Данное об-стоятельство требует расширить объемы опытного строительства и дли-тельного наблюдения за состоянием дорог, построенных с использовани-ем различных инновационных решений, в том числе с использованием линейного дорожного районирования трассы дороги по результатам ин-женерных изысканий.

128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана модель линейного дорожного районирования на основе системного представления взаимодействия элементов внешней среды с земляным полотном как элементом геотехнической системы. Реализация многоуровневой концептуальной модели, построенной нами по принципу ранжирования доминирующих факторов природной среды: зональных, интразональных, региональных позволяет последовательно по этапам осуществлять декомпозицию объекта (трассы дороги) на природно-климатические зоны, участки линейных дорожных комплексов (ЛДК) в составе зон, участки с региональными особенностями местности в составе ЛДК.

2. В качестве инструмента для формирования относительно однородных по природным условиям линейных дорожных комплексов обосновано применение интеграционных алгоритмов многомерной классификации и таксономического анализа. В качестве исходных данных по геокриологическим характеристикам приняты средние значения показателей на пикетах продольного профиля трассы, определенные в результате комплекса инженерных изысканий.

Расчеты в составе проектной документации на трех объектах в I ДКЗ общей протяженностью 47.4 км продемонстрировали повышение однородности природных факторов в пределах линейных дорожных комплексов. Коэффициент вариаций по показателям геокриологических факторов на ЛДК снижен в 1.5 − 3 раза против средних значений в целом по объектам, вариативность каждого из показателей не превысила 0,3. Верификация модели продемонстрировала повторяемость результатов независимо от условий природной среды по данным инженерных изысканий для разных объектов.

Сопоставление результатов инженерных изысканий и теоретических данных линейного дорожного районирования свидетельствует о достаточно высокой сходимости по всем показателям. Установленные значения коэффициентов линейной корреляции для разных объектов и показателей находятся в пределах 0,77 − 0.96. Проверка значимости коэффициентов корреляции по Z-преобразованию Фишера и с использованием метода нулевой гипотезы продемонстрировала значимость коэффициентов при доверительной вероятности 0,95.

3. Реализация методики линейного дорожного районирования создала условия для формирования на участках ЛДК однотипных конструктивных решений земляного полотна, которые можно рассматривать в качестве проектно-технологических модулей (ПТМ).

129

Разработанные база данных конструкций земляного полотна на ММГ, алгоритмы и программное обеспечение для ПЭВМ позволяют моделировать варианты конструктивных решений земляного полотна с учетом природных условий на ЛДК, физико-механических свойств материалов в карьерах, зон действия карьеров и других организационно-технологических факторов. На основе вероятностного подхода к оценке проектных решений и анализа исследований в этой области установлен механизм связи однородности факторов природной среды на ЛДК и качеством проектных решений, связанных с обеспечением нормативных показателей многолетнемерзлых грунтов в основании насыпи земляного полотна. На установление количественной оценки параметров этой связи будут направлены дальнейшие исследования.

4. Сформирован комплекс алгоритмов и программного обеспечения для вариантного проектирования организации строительства земляного полотна с увязкой основного и обеспечивающих производств в сложных природных условиях криолитозоны. В приведенном примере и материалах внедрения в проектах организации строительства использование схемы параллельно-поточной организации работ и модульного принципа проектирования способствовало увеличению индекса доходности в сред-нем на 14,6 %.

5. Практическое использование методики линейного дорожного районирования и рекомендаций по проектированию взаимоувязанных конструктивных и организационно-технологических решений с использованием математических моделей и методов моделирования в регионах Якутии (Саха) на трех объектах общей протяженностью 47,4 км продемонстрировало эффективность предлагаемых теоретических и практических решений.

Дальнейшие исследования связаны с установлением количественных характеристик влияния однородности природной и геокриологической среды на качество и надежность проектных решений, совершенствованием программного обеспечения процессов линейного районирования на основе материалов инженерных изысканий.

130

Библиографический список

1. Айвазян, С.А. Классификация многомерных наблюдений / С.А. Айвазян, З.И. Бежаева, О.В. Староверов. – М. : Статистика, 1974. – 238 с.

2. Арманд, Д.Л. Наука о ландшафте / Д.Л. Арманд. – М. : Мысль, 1975. – 286 с. 3. Асаул, А.Н. Управление затратами в строительстве / А.Н. Асаул, М.К.

Старовойтов, Р.А. Фалтинский ; под ред. А.Н. Асаула . – СПб. : ИПЭВ, 2009. – 392 с. 4. Ашпиз, Е.С. Мониторинг земляного полотна при эксплуатации железных

дорог / Е.С. Ашпиз. – М. : Путь–пресс, 2002. – 112 с. 5. Бадина, М.В. Обеспечение качества проектирования дорожных конструкций

на основе учета региональных природно-климатических условий (на примере Западной Сибири) : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.23.11 / Бадина Мария Владимировна. – Омск, 2009. – 24 с.

6. Бедрин, Е.А. Влияние природных факторов на конструктивные решения при строительстве земляного полотна автомобильных дорог в условиях геокриологической зоны / Е.А. Бедрин, А.А. Дубенков // Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе, 28 – 29 ноября 2012 г. : материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения. – Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2013. – Ч.1. – С. 119 – 124.

7. Бедрин, Е.А. Выявление зависимостей времени промерзания теплового диода от теплофизических и температурных параметров его состояния / Е.А. Бедрин., М.А. Завьялов, А.М. Завьялов // Вестник СибАДИ. – 2011. – № 3(21). – С. 15–21.

8. Бедрин, Е.А. Обеспечение термической устойчивости основания земляного полотна автомобильных дорог: монография / Е.А. Бедрин, А.М. Завьялов, М.А. Завьялов. – Омск : СибАДИ, 2012. – 179 с.

9. Бедрин, Е.А. Обеспечение устойчивости земляного полотна дорог на многолетнемерзлых грунтах / Е.А. Бедрин, В.Н. Лонский // Проблемы проектирования, строительства, реконструкции, ремонта и содержания автодорог с применением новых технологий и материалов : материалы научно-практической конференции – Иркутск, 2010. – С. 2–3.

10. Безрук, В.М. Уточнить принципы дорожно-климатического районирования / В.М. Безрук // Автомобильные дороги. – 1978. – № 4. – С. 21–22.

11. Бешелев, С.Д. Математико-статистические методы экспертных оценок / С.Д. Бешелев, Ф.Г. Гурвич. – 2–е изд. – М. : Статистика, 1980. – 263 с.

12. Блютген, И. География климатов / И. Блютген. − М. : Прогресс, 1973. − Т.2. – 402 с.

13. Боброва, Т.В. Технико-экономическое обоснование производства дорожно-строительных работ в зимнее время : учебное пособие / Т.В. Боброва. – Омск : Изд-во СибАДИ, 2000. – 83 с.

14. Боброва, Т.В. Использование методики функционально-стоимостного анализа для выработки и оценки инженерных решений в дорожном строительстве / Т.В. Боброва // Труды СибАДИ. – Омск : Изд-во СибАДИ, 1997. – Вып. 1. – Ч. 1. – С. 125 – 130.

131

15. Боброва, Т.В. Концептуальная логико-информационная модель инженерно-экономических изысканий для проектирования автомобильной дороги / Т.В. Боброва, М.С. Перфильев, О.А. Соловьева // Вестник СибАДИ. – 2011. – № 1(23). – С. 32 – 36.

16. Боброва, Т.В. Особенности структурно-модульного проектирования организации строительства дорог на многолетнемерзлых грунтах / Т.В. Боброва, А.А. Дубенков, М.С. Перфильев // Вестник ТГАСУ. – 2014. – Вып. 6. – С. 168 – 181.

17. Боброва, Т.В. Оценка экономической эффективности учета изменчивости геокомплексов при проектировании дорожных одежд автомобильных дорог / Т.В. Боброва, С.В. Ефименко // Вестник СибАДИ. – 2013. – № 4(32). – С. 136 – 140.

18. Боброва, Т.В. Проектно-ориентированное управление производством работ на региональной сети автомобильных дорог : дис. … д-ра техн. наук / Боброва Татьяна Викторовна. – Омск, 2007. – 445 с.

19. Боброва, Т.В. Проектно-ориентированное управление производством работ на региональной сети автомобильных дорог : монография / Т.В. Боброва. – Омск : Изд-во СибАДИ, 2006. – 334 с.

20. Боброва, Т.В. Модели управления реализацией инновационных проектов в дорожно-транспортном комплексе / Т.В. Боброва // Вестник СибАДИ. − 2010. − № 4(18) − С. 60 − 64.

21. Бовтеев, С. В. Информационные технологии в строительстве. Управление строительными проектами в среде Microsoft Project 2013 Professional : учебное пособие / С.В. Бовтеев. – СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2013. – 292 с.

22. Боровик, В.В. Инновационные технологии проектирования конструкций дорожных одежд / В.В. Боровик // Дороги и мосты : сб. науч.тр.– М. : РосдорНИИ, 2010. – Вып. 23/1. – С. 75 – 84.

23. Боровик, В.С. Методика регионального дорожно-климатического районирования на примере Астраханской области / В.С. Боровик, В.В. Боровик, А.Г. Круглова // Вестник ВолгГАСУ. – 2007. − № 8. – С. 58 – 62.

24. Боровко, Н.Н. Статистический анализ пространственных геологических закономерностей / Н.Н. Боровко. – Л. : Недра, 1971. – 173 с.

25. Будыко, М.И. Глобальная экология / М.И. Будыко. – М. : Мысль, 1977. – 328 с.

26. Будыко, М.И. Тепловой баланс земной поверхности / М.И. Будыко. – Л. : Гидрометеоиздат, 1956. – 255 с.

27. Бурков, В.Н. Модели и методы теории активных систем в управлении организационными проектами [Электронный ресурс] / В.Н. Бурков, А.Ю. Заложнев, Д.А. Новиков. – 17th World Congress on Project Management, Moscow June 4-6 2003. – Режим доступа : http://ipma.ch/ URL: http://ipma.ch/assets/IPMA-2003-Q11.pdf .− Загл. с экрана (дата обращения к ресурсу: 5.09.2013).

28. Вербух, Н.Ф. Конструктивные решения земляного полотна и искусственных сооружений на автомобильных дорогах для условий Центральной Якутии : дис. … канд. техн. наук : 05.23.11 / Вербух Натан Феликсович. – М., 2008. – 220 с.

29. Виноградский, А.К. Дорожное районирование / А.К. Виноградский. – М. : Транспорт , 1989. – 95 с.

30. Водно-тепловой режим земляного полотна и дорожных одежд / И.А. Золотарь, Н.А. Пузаков, В.М. Сиденко, А.Я. Тулаев. – М. : Транспорт, 1971. – 415 с.

132

31. Воробьев, В.С. Формирование систем управления строительством транспортных объектов в районах нового освоения : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.11 / Воробьев Валерий Степанович. – Новосибирск, 2005. – 47 с.

32. Воропаев, В.И. Методические указания по декомпозиции объектов строительства на проектно-технологические модули / В.И. Воропаев, Б.Я. Лебедь, Т.Я. Орел – М. : ВНИИГиМ, 1988. – 92 с.

33. Воропаев, В.И. Модели и методы календарного планирования в автоматизированных системах управления строительством / В.И. Воропаев. – М. : Стройиздат, 1975. – 232 с.

34. Воропаев, В.И. Управление проектами в России / В.И. Воропаев. – М. : Аланс, 1995. – 225 с.

35. Геоинформатика : учебник / Е.Г. Капралов, А.В. Кошкарев, В.С. Тикунов и др. – М. : ИЦ «Академия», 2005. – 480 с.

36. ГОСТ 20522-2012. Грунты. Методы статистической обработки результатов испытаний. – М. : Стандартинформ, 2013. – 19 с.

37. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. – М.: Стандартинформ, 2013. – 82 с.

38. Градостроительный кодекс Российской Федерации : Федер. закон от 29 декабря 2004 г. №190–ФЗ // Справочная нормативная система «NormaCS»: [Электронный ресурс] / ЗАО «Нанософт». – Послед. обновление 01.11.2011.

39. Грамп, Е.А. Функционально-стоимостной анализ: сущность, теоретические основы , опыт применения за рубежом / Е.А. Грамп. – М. : Информэлектро, 1980.

40. Григорьев, А.А. О периодическом законе географической зональности / А.А. Григорьев, М.И. Будыко // Докл. АН СССР. − 1956. − Т. 110. − № 1. − С. 129 – 132.

41. Грицык, В.И. Земляное полотно железных дорог : краткий курс лекций / В.И. Грицык. – М. : Маршрут, 2005. – 246 с.

42. Гулько, О.Н. Дорожно-климатическое районирование территории Крайнего Севера Европейской части России с наличием многолетнемерзлых грунтов : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.23.11 / Гулько Олег Николаевич. – М., 2005. – 26 с.

43. Давыдов, В. А. Дорожно-климатическое районирование зоны вечной мерзлоты для целей транспортного строительства / В.А. Давыдов // Методика инженерных исследований и картирования области вечной мерзлоты. – Якутск : Якутское кн. изд-во, 1977. − Вып. 3. – С. 29 – 30.

44. Давыдов, В.А. Автомобильные дороги на Крайнем Севере и в зоне вечной мерзлоты России : учебное пособие / В.А. Давыдов. – М., 2010. – 218 с.

45. Давыдов, В.А. Дорожно-климатическое районирование I дорожно-климатической зоны (ДКЗ) − зоны вечной мерзлоты / В.А Давыдов // Проектирование автомобильных дорог : сб. науч. тр. МАДИ. – М. : МАДИ, 2003. – С. 21 – 32.

46. Дингес, Э.В. Оценка эффективности инноваций в дорожных организациях / Э.В. Дингес, А.В. Чванов // Новости в дорожном деле : Науч.-техн. информ. сб. – М., 2009. − Вып. 6. – 64 с.

47. Домке, Э.Р. Управление качеством дорог : учебное пособие / Э.Р. Домке, А.П. Бажанов, А.С. Ширшиков. – Ростов н/Д : Феникс, 2006. – 253 с.

48. Дорожное полотно и способ его возведения : патент RU 2273687 C1, E 01 С 3/06 РФ [Электронный ресурс] / С.Я. Луцкий, Е.С. Ашпиз, Д.В. Долгов. − Режим дос-

133

тупа : http://www.freepatent.ru/images/patents/195/2273687/patent–2273687.pdf − Загл. с экрана (дата обращения к ресурсу : 10.03.2013).

49. Дубенков, А.А. Анализ факторов для уточнения границ участков с однотипной конструкцией при проектировании дорог в сложных природных условиях / А.А. Дубенков // Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования : матер. VII Всерос. науч.-практ. конф. (с межд. участием). – Омск : СибАДИ, 2012. – Кн. 1. – С. 62 – 67.

50. Дубенков, А.А. Вариантное проектирование дорожных конструкций с использованием функционально-стоимостного анализа / А.А. Дубенков // Материалы VII Международной науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 14-16 мая 2013 г. – Волгоград : ВолГАСУ, 2013. – С. 311 – 315.

51. Дубенков, А.А. Комплексная оценка инженерно-геологических и мерзлотных условий при районировании трассы дороги / А.А. Дубенков // Вестник СибАДИ. – 2013. – № 4(32). – С. 46 – 52.

52. Дубенков, А.А. Моделирование организационно-технологических решений в проектах организации строительства земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах / А.А. Дубенков // Известия вузов. Строительство. − 2014. – № 6. – С. 87 – 93.

53. Дубенков, А.А. Учет природных факторов при моделировании конструкций земляного полотна автомобильных дорог на многолетнемерзлых грунтах / А.А. Дубенков // Омский регион – месторождение возможностей : сборник материалов III региональной молодежной научно-технической конференции. – Омск : ОмГУПС , 2012. – С. 212 – 214.

54. Елисеева, И. И. Группировка, корреляция, распознавание образов / И.И. Елисеева, В.О. Рукавишников. – М. : Статистика, 1977. – 143 с.

55. Ершов, Э.Д. Основы геокриологии. Физико-механические основы геокриологии / Э.Д. Ершов. – М. : Изд-во МГУ, 1995. – 386 с.

56. Ефименко, В.Н. Особенности формирования банка исходных данных при назначении границ дорожно-климатических зон, подзон и районов / В.Н. Ефименко, М.В. Бадина, С.В. Ефименко // Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе : Международная научно-практическая конференция, посвященная 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения: тезисы конференции. – Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2012. − Ч.1. – С. 21 – 23.

57. Ефименко, В.Н. Пути обеспечения эксплуатационной надежности автомобильных дорог в природных условиях Сибири / В.Н. Ефименко, С.В. Ефименко, М.В. Бадина // Транспортное строительство. – 2007. – № 1. – С. 18 – 19.

58. Ефименко, В.Н. Уточнение дислокации границ дорожно-климатических зон на территории Западной Сибири с применением методов математического моделирования / В.Н. Ефименко, С.В. Ефименко, М.В. Бадина // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. – 2007. – № 1. – С. 220 – 228.

59. 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.

60. Жданова, С.М. Принципы обеспечения стабилизации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты : дис. … д-ра техн. наук / Жданова Светлана Мирзахановна. – Хабаровск, 2007. – 425 с.

134

61. Загоруйко, Н.Г. Распознавание образов в социальных исследованиях / Н.Г. Загоруйко, Т.Н. Заславская. – Новосибирск : Наука, Сиб. отд-е, 1968. – 195 с.

62. Земляное полотно автомобильных дорог в северных условиях / под ред. А.А. Малышева. – М. : Транспорт, 1974. – 279 с.

63. Земляное полотно на многолетнемерзлых грунтах : патент RU 2256030 C2, E 02 D 17/18 РФ [Электронный ресурс] / Л.А. Поленова, А.М. Тугарин, В.С. Русаков, А.В. Захаренко, В.Н. Лонский. – Режим доступа: http://www.freepatent.ru/images/patents/212/2256030/patent–2256030.pdf. – Загл. с экрана (дата обращения к ресурсу: 10.03.2013).

64. Золотарь, И.А. Экономико-математические методы в дорожном строительстве / И.А. Золотарь. – М. : Транспорт, 1974. – 248 с.

65. Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в условиях вечной мерзлоты. ВСН 84-89 / Минтрансстрой. – Введ. 30.03. 1989. Взамен ВСН 84-75. – М. : СоюздорНИИ, 1990. – 271 с.

66. Исаков, А.Л. Обоснование производительности землеройно-транспортных комплексов / А.Л. Исаков, С.М. Кузнецов, К.С. Кузнецова // Экономика железных дорог. – 2014. – № 5. – С. 78 – 85.

67. Исаков, А.Л. Сравнительный анализ моделей деформирования грунта при расчете напряженно-деформированного состояния земляного полотна / А.Л. Исаков, Ю.С. Морячков // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. – 2010. – № 23. – С. 63 – 68.

68. Исаков, А.Л. Теплофизическая дискретная модель промерзания грунта земляного полотна / А.Л. Исаков , Ким Хюн Чол // Транспорт Урала. – 2012. – № 2. – С. 121 – 124.

69. Исаченко, А.Г. Ландшафтоведение и физико-географическое районирование : учебник / А.Г. Исаченко. – М. : Высшая школа, 1991. – 366 с.

70. Исследование конструкций и методов строительства земляного полотна автомобильных дорог в районах островной вечной мерзлоты с составлением предложений по внедрению конструкций земляного полотна на вечной мерзлоте в условиях БАМа : отчет о НИР ЗР–Х–1–76, раздел 9, заключительный, № гос. регистрации 75022246 / СоюздорНИИ (Омский филиал), Н.Ф. Савко. – Омск, 1976. – 76 с.

71. Калюжнюк, М.М. Упорядочение рабочих операций простых технологических процессов в строительстве / М.М. Калюжнюк, А.В. Калюжнюк // Инженерно-строительный журнал. – 2011. – № 7. – С. 87 – 99.

72. Карпунин, М.Г. Функционально-стоимостной анализ в инженерной деятельности : учебное пособие / М.Г. Карпунин, А.М. Кузьмин, С.В. Шалденков. – М. : Информэлектро, 1990.– 77 с.

73. Коденцева, Ю.В. Обоснование ресурсоемкости зимнего содержания сети автомобильных дорог на основе районирования территорий по неблагоприятным климатическим факторам : дис. ... канд. техн. наук: 05.23.11 / Коденцева Юлия Викторовна. – Омск, 2007. – 190 с.

74. Кондратьев, В.Г. Концепция системы инженерно-геокриологического мониторинга автомобильной дороги «Амур» Чита – Хабаровск : монография / В.Г. Кондратьев, С.В. Соболева. − Чита : Забтранс, 2010. – 176 с.

135

75. Конорева, А.А. Обоснование выбора конструкций дорожных одежд с использованием критерия энергетических затрат : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.23.11 / Конорева Алла Александровна. − Омск, 2009. – 24 с.

76. Конструкции и технологии строительства автомобильных дорог в сложных природных условиях : учеб. пособие / А.В. Смирнов, В.Н. Шестаков, В.В. Сиротюк, В.П. Никитин, Т.В. Боброва, А.А. Миронов; под ред. А.В. Смирнова. – Омск : Изд-во СибАДИ, 2005. – 172 с.

77. Коротаев, Д.Н. Основы системного анализа и моделирования : курс лекций / Д.Н. Коротаев, А.А. Конорева. – Омск : СибАДИ, 2013. – 90 с.

78. Крафт, Я.С. Композитно-модульные конструкции земляного полотна для строительства железных дорог на полуострове Ямал : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.23.11 / Крафт Якоб Соломонович. – М., 2006. – 27 с.

79. Крицкий М.Я. Земляное полотно автомобильных дорог: дефекты, повреждения и разрушения, их причины, методы профилактики и восстановления : учебное пособие / М.Я. Крицкий, В.Н. Шестаков. – Омск : Изд-во СибАДИ, 2008. – 56 с.

80. Кудрявцев, В.А. Классификация типов сезонного промерзания и оттаивания /В.А. Кудрявцев // Вопр. физич. геогр. полярных стран. – М. : Изд-во Моск. ун-та, 1959. − Вып. 2. − С. 44 – 58.

81. Куприянова, Т.П. Принципы и методы физико-географического районирования с применением ЭВМ / Т.П. Куприянова. – М. : Наука, 1977. – 125 с.

82. Мальцев, Ю.А. Экономико-математические методы проектирования транспортных сооружений : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / Ю.А. Мальцев. – М. : Издательский центр «Академия», 2010. – 320 с.

83. Математическая статистика : учебник / В.М. Иванова, В.Н. Калинина, Л.А. Нешумова, И.О. Решетникова ; под ред. А.М. Длина. − М. : Высш.школа,1975. – 398 с.

84. Мельников, П.И. Общее мерзлотоведение / П.И. Мельников, Н.И. Толстихин . – Новосибирск : Наука, 1974. – 265 с.

85. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов: Вторая редакция / М-во экон. РФ, М-во фин. РФ, ГК по стр-ву, архит. и жил. политике; рук. авт. кол.: В.В. Коссов, В.Н. Лившиц, А.Г. Шахназаров. – М. : ОАО НПО «Изд-во ″Экономика″», 2000. – 421 с.

86. Методические рекомендации по применению конструктивных мероприятий для сохранения вечномерзлых грунтов в основаниях земляного полотна и искусственных сооружений на автомобильных дорогах Центральной Якутии. – М. : ОАО ЦНИИС, 2010. – 90 с.

87. Методические рекомендации по проведению экспертизы материалов инженерных изысканий для технико-экономических обоснований (проектов, рабочих проектов) строительства объектов: МДС 11–5.99 от 27.04.1999 г. [Электронный ресурс] / Главгосэкспертиза России с участием института ПНИИИС Госстроя России. – Режим доступа : http://docs.cntd.ru/document/1200003336. – Загл. с экрана (дата обращения к ресурсу: 01.11.2011).

88. Методические рекомендации по проектированию и проверке технически обоснованных норм времени расчетно-аналитическим методом в дорожном хозяйстве / Министерство транспорта РФ, Росавтодор. – М., 2003. – 52 с.

136

89. Методические рекомендации по проектированию и проверке технически обоснованных норм времени расчетно-исследовательским методом в дорожном хозяйстве / Министерство транспорта РФ, Росавтодор. – М., 2003. – 72 с.

90. Методические рекомендации по проектированию и строительству земляного полотна в зоне вечной мерзлоты с использованием разрыхленных мерзлых грунтов , сохраняемых в мерзлом состоянии во время эксплуатации (для опытно-экспериментального строительства) / ФГУП «СоюздорНИИ». – Введены Распоряжением Минтранса РФ N OC –905–р от 15.10.2003 (в развитие ВСН 84-89).

91. Методические указания по инженерно-геологическим изысканиям автомобильных дорог и сооружений на них / Союздорпроект. – М., 1992. – 92 с.

92. Метрология. Основные термины и определения. РМГ 29–2013. – М. : Стандартинформ, 2014. – 56 с.

93. Микони, С.В. Теория и практика рационального выбора : монография / С.В. Микони. – М. : Маршрут, 2004. – 463 с.

94. Могилевич, В.М. Организация дорожно-строительных работ / В.М. Могилевич, Т.В. Боброва. – М. : Транспорт, 1990. – 151 с.

95. Общее мерзлотоведение / В.А. Кудрявцев, Б.Н. Достовалов, Н.Н. Романовский и др. – М. : Изд-во МГУ, 1978. – 241 с.

96. Озерной, А.В. Повышение уровня организации дорожного производства на основе внедрения и технического нормирования инновационных технологий / А.В. Озерной, Т.В. Боброва, А.А. Дубенков // Ориентированные фундаментальные и прикладные исследования – основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России : матер. Межд. 66-й науч.-практ. конф. – Омск : СибАДИ, 2012. – Кн. 1. − С. 106 – 110.

97. Организационно-технологический регламент и мониторинг сооружения земляного полотна / С.Я. Луцкий, Т.В. Шепитько, П.М. Токарев и др. // Транспортное строительство. – 2008. – № 1.

98. Организация строительства железнодорожного пути в сложных природных условиях / Е.В. Басин, С.Я. Луцкий, В.Г. Тайц и др. ; под ред. С.Я. Луцкого. – М. : Транспорт, 1992. – 288 с.

99. Пассек, В.В. Расчет температурного режима оснований и тела транспортных сооружений / В.В. Пассек ; Госфонд алгоритмов и программ. П005248, 1982, Бюл. № 3 (47).

100. Пассек, В.В. Расчет одномерного распределения температуры/ В.В. Пассек, А.М. Бродский ; Госфонд алгоритмов и программ. П004939, 1981, Бюл. № 6 (44).

101. Пассек, В.В. Расчет трехмерных температурных полей в теле транспортных сооружений с учетом автоматических замораживающих установок (термосифонов)/ В.В. Пассек, Л.Н. Слоев ; Госфонд алгоритмов и программ. П006907, 1984, Бюл. № 1 (58).

102. Перетрухин, Н.А. Взаимодействие земляного полотна и вечномерзлых грунтов / Н.А. Перетрухин, Т.В. Потатуева. – Томск : Изд-во Томского ун-та, 1987. – 160 с.

103. Приказ Минтранса РФ от 01.11.2007 г. №157 “О реализации постановления Правительства Российской Федерации от 23 августа 2007 г. № 539 «О нормативах денежных затрат на содержание и ремонт автомобильных дорог федерального значения и правилах их расчета» (с изм. и доп. от 25.02.2015 г.) [Электронный ресурс] – Режим доступа : http://base.garant.ru/192269/#friends : – Загл. с экрана (дата обращения к ресурсу: 10.06.2015).

137

104. Прикладная статистика : классификация и снижение размерности / под ред. С.А. Айвазяна. – М. : Финансы и статистика, 1989. – 607 с.

105. Примерные схемы определения этапов работ в проектах на строительство автомобильных дорог, согласованные по представлению Минтрансстроя, Госстроем СССР с участием Стройбанка СССР 10 января 1975 г. № МЧ–96–4 [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://www.gosthelp.ru/text/Primernyesxemyopredeleniy.html. − Загл. с экрана (дата обращения к ресурсу: 10.02.2014).

106. Проектирование нежестких дорожных одежд. ОДН 218.046-01/ Государственная служба дорожного хозяйства Министерства транспорта Российской Федерации. − М., 2001. – 145 с.

107. Разработка нормативов по ремонту и содержанию дорог производственного управления автомобильных дорог объединения «Якутзолото» : отчет о НИР : заключительный, № гос. регистрации 03940002958 ЛУАД «Якутзолото»; рук. А.В. Смирнов. – Омск, 1994. – 187 с.

108. Разработка ОДМ "Методические рекомендации по геокриологическому прогнозированию устойчивости дорожных сооружений при проектировании, строительстве и эксплуатации автомобильных дорог": отчет о НИР : заключительный, № гос. регистрации 01201179518 Федеральное дорожное агентство; рук. Е. А. Бедрин; исполн. А. А. Дубенков [и др.]. – М., 2013. – 197 с.

109. Резолюция научно-практической конференции «Особенности строительства, ремонта и содержания автомобильных дорог в сложных природно-климатических условиях. Инновационные решения, материалы и технологии» [Электронный ресурс]. – Якутск, 25–28 июля 2012 г. – Режим доступа: http://yakutsk.bezformata.ru/listnews/rezolyutciya–npk–dorogi–rossii/6605891/. – Загл. с экрана (дата обращения к ресурсу: 12.05.2013).

110. Рекомендации по составу разделов проектной документации для строительства, реконструкции автомобильных дорог и искусственных сооружений на них с учетом требований Градостроительного кодекса РФ и Постановления Правительства РФ от 16 февраля 2008 г. № 87. Утверждены Приказом генерального директора ОАО «ГипродорНИИ» регистрационной службы от 16 октября 2008 г. № 330 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.rg.ru/2008/02/27/ dokumentacii–dok.html (с изменениями и дополнениями 2010–2013 г.). – Загл. с экрана (дата обращения к ресурсу: 12.05.2013).

111. Родоман, Б.Б. Районирование как средство географической характеристики, его логические формы и изображения на карте : автореф. дис. … канд. техн. наук / Родоман Борис Борисович. – М., 1966.

112. Руководство по оценке экономической эффективности использования в дорожном хозяйстве инноваций и достижений научно-технического прогресса : отраслевой дорожный метод. документ / Министерство транспорта РФ, Росавтодор.– М., 2002. – 71 с.

113. Саркисян, С.А. Теория прогнозирования и принятия решений / С.А. Саркисян. – М. : Высшая школа, 1977. – 351 с.

114. Свидетельство о государственной регистрации базы данных «База конструктивных решений земляного плотна на многолетнемерзлых основаниях Permafrost Construction Base» / А.А. Дубенков, Е.А. Бедрин, Т.В. Боброва // ФГУ ФИПС № 2014620658 от 08.05.2014; опубл. 20.06.2014 , Бюл. № 6(92).

138

115. Свидетельство о государственной регистрации программы на ЭВМ «Система автоматизированного проектирования земляного полотна автомобильных дорог в сложных условиях «Permafrost»» / А.А. Дубенков, Е.А. Бедрин // ФГУ ФИПС № 2012617730 от 27.08.2012; опубл. 20.12.2012 , Бюл. №4 (81), часть 2.

116. Свод правил СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть IV. Правила производства работ в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. – М. : Госстрой России, 1999. – 25 с.

117. Свод правил СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88. – Введ. 2013-01-01. – М. : Стандартинформ, 2012. – 117 с.

118. Свод правил СП 34.13330.2012. Автомобильные дороги. Актуализированная редакция СНиП 2.05.02-85*. – Введ. 2013-07-01. – М. : Минрегион России, 2012. – 110 с.

119. Свод правил СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11–02–96. – М. : Минрегион России, 2013. – 110 с.

120. Свод правил СП 48.13330.2011. Организация строительства. Актуализированная редакция СНиП 12-01-2004. – Введ. 2011-05-20. – М. : Минрегион России, 2010. – 22 с.

121. Свод правил СП 32-104-98 (актуал. 2008.10.01.). Проектирование земляно-го полотна железных дорог колеи 1520 мм. Утв. ОАО ЦНИИС. − М., 1996. – 95 с.

122. Семенов, В.А. Качество и однородность автомобильных дорог / В.А. Семенов. − М. :Транспорт, 1989. – 125 с.

123. Сиденко, В.М. Дорожные одежды с парогидроизоляционными слоями / В.М. Сиденко, О.Т. Батраков, Ю.А. Покутнев. – М. : Транспорт, 1984. – 143 с.

124. СНиП 2.05.02-85*. Автомобильные дороги. Утв. Госстроем СССР. – Введ 1987-01-01. − М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1986, с изменениями № 1–№ 5, 1987 – 2003 г. – 56 с.

125. Современные методы организации проектных работ в новой экономической ситуации [Электронный ресурс]. – Инжиниринговая компания «Джемини». – Режим доступа : http://www.gemini–k.com/articles_and_publications/1328/ – Загл. с экрана (дата обращения к ресурсу : 14.07.2013).

126. Солодухин, М.А. Инженерно-геологические изыскания для промышленного и гражданского строительства / М.А. Солодухин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Недра, 1985. – 224 с.

127. Справочная энциклопедия дорожника. Том V : Проектирование автомобильных дорог / под ред. : Г.А. Федотова, П.И. Поспелова. – М., 2007. – 888 с.

128. Статистика : учебное пособие / под ред. проф. М.Р. Ефимовой. – М. : Инфра, 2002. – 336 с.

129. Строительство путей сообщения на Севере : научно-практическое издание / С.Я. Луцкий , Т.В. Шепитько, П.М. Токарев и др. – М. : ЛАТМЭС, 2009. – 286 с.

130. Трескинский, С.А. Горные дороги / С.А. Трескинский. – М. : Транспорт, 1974. – 138 с.

131. Трофимов, А.М. Количественные методы районирования и классификации : монография / А.М. Трофимов, Я.И. Заботин, М.В. Панасюк. – Казань : Казанский университет, 1985. – 119 с.

139

132. Трофимов, А.М. Районирование, математика, ЭВМ : учебное пособие / А.М. Трофимов, В.А. Рубцов. − Казань : Изд-во Казанского университета, 1992. − Вып. 2. – 133 с.

133. Уайдман, Макс Р. Моделирование в управлении проектами / М.Р Уайдман // Управление проектами и программами. – 2005. – № 1. – С. 18 – 26.

134. Управление проектами : Основы профессиональных знаний. Национальные требования к компетенции специалистов / под науч. ред. д-ра техн. наук, проф. В.И. Воропаева. – М. : ЗАО « Проектная ПРАКТИКА», 2010. – 260 с.

135. Управление проектами в строительстве : учебное пособие / С.В. Бовтеев, В.П. Еременко, Е.И. Рыбнов и др.; ред. В.И. Фролов. – СПб., 2004. – 424 с.

136. Фельдман, Г.М. Методы расчета температурного режима мерзлых грунтов / Г.М. Фельдман. – М. : Наука, 1973. – 254 с.

137. Цернант, А.А. Функциональная классификация методов и устройств для управления тепловым режимом грунтовых массивов в криолитозоне земляного полотна / А.А. Цернант // От гидравлического интегратора к современным компьютерам : тр. ЦНИИС. − М., 2002. – Вып. 213. – С. 55 – 67.

138. Цернант, А.А. Инновационные технологии управления температурой грунтовых массивов транспортных сооружений в арктических широтах / А.А. Цернант // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – 2013. – № 3. – С. 26 – 31.

139. Цернант, А.А. Сооружение земляного полотна в криолитозоне : дис. … д-ра техн. наук : 05.23.13, 05.22.06 / Цернант Александр Альфредович. – М., 1998.

140. Цернант, А.А. Геокриологический прогноз при сооружении земляного полотна / А.А. Цернант, В.И. Лобанов, Н.И. Большакова // Транспортное строительство. – 1990. – № 9. – С. 7 – 9.

141. Цытович, Н.А. Механика мерзлых грунтов / Н.А. Цытович. – М. : Высшая школа, 1973. – 446 с.

142. Черкасов, А.М. Обоснование конструктивно-технологических решений по земляному полотну железных дорог на многолетнемёрзлых основаниях: дис. ... канд. техн. наук: 05.22.06 /Черкасов Александр Михайлович. – М., 2009. – 153 с.

143. Шепитько, Т.В. Методика выбора организационно-технологических решений при переустройстве железных дорог : дис. ... д-ра техн. наук: 05.23.13 / Шепитько Таисия Васильевна. – М., 2000. – 281 с.

144. Шестаков, В.Н. Методологический аспект прогнозирования теплофизического режима в жизненном цикле дорожной конструкции / В.Н. Шестаков // Вестник СибАДИ. – 2010. − № 4(18). Юбилейный выпуск. – С. 51 – 55.

145. Шур, Ю.Л. Верхний горизонт толщи мёрзлых пород и термокарст / Ю.Л. Шнур. – Новосибирск : Наука, 1988. – 213 с.

146. Яковлев, Ю.М. Однородность нежестких дорожных одежд по модулям упругости и ее контроль в процессе строительства / Ю.М. Яковлев, Ю.Г. Абдурахманов // Повышение качества строительства автомобильных дорог в нечерноземной зоне РСФСР. – Владимир : НТО , 1980. – С. 16 – 24.

147. Ярмолинский, А.И. Автомобильные дороги Дальнего Востока / А.И. Ярмолинский // Опыт проектирования и эксплуатации . – М. : Транспорт, 1994. – 141с.

148. Ярмолинский, А.И. Проектирование конструкций автомобильных дорог с учетом природно-климатических особенностей Дальнего Востока / А.И. Ярмо-

140

линский, В.А. Ярмолинский. – Хабаровск : Изд-во Тихоокеанского гос. ун-та, 2005. – 197 с.

149. A Bu mpy Road: Highways and Tha wing Permafrost Paul Murchison, P.Eng. / / http://ygsftp.gov.yk.ca / URL: http://ygsftp.gov.yk.ca/YukonPermafrostNetwork/MacBride%20Lecture%20Series%202012%20 Paul%20Murchison.pdf (дата обращения: 25.06.2013).

150. A Guide То The Project Management Body Of Knowledge (PMBOK Guides) /Project Management Institute. USA, 2004 – 385p.

151. Dalt on Hi ghway Field Tri p Gui de f or the Ninth Interna tional Conf erence on Permafrost / Walker D.A., Hamilton T.D., Ping C.L., Daanen R.P., Streever W.W., Streever W.W. и др. – Fairbanks: State of Alaska, 2009.

152. Design Manual for Designing Foundations on Permafrost By. Terry McFadden // http://www.uaf.edu/ URL: http://www.uaf.edu/ces/energy/housing_energy/resources/Permafrost–design–manual.pdf (дата обращения: 22.06.2013).

153. Developing and Managing Transportation Infrastructure in Pe rmafrost Regions // http://ta c–atc.ca/ U RL: http: //tac–atc.ca/sites/tac–atc.ca/files/site/doc/resources/primer–permafrost2010.pdf (дата обращения: 8.12.2013).

154. Donaldson R., Robin Walsh Pavement Management for Permafrost Conditions / 8th Interna tional Conf erence o n Managi ng P avement A ssets // http://www.pavementmanagement.org/ URL: http://www.pavementmanagement.org/icmpfiles/2011/T7_ICMPA024–MACLEOD.pdf (дата обращения: 30.11.2013).

155. Ferrians, A., R. Katchadoorian, an d G. Greene. 1969. Per mafrost and Relate d Engineering Problems in Alaska. Geological Survey Paper., p. 678.

156. Geotechnical site investigation guidelines for building foundations in permafrost // http://ww w.pws.gov.nt.ca/ URL: http://www.pws.gov.nt.ca/pdf/publications/GeotechnicalGuidelines.pdf (дата обращения: 5.12.2013).

157. Har old K erzner. Project Mana gement: A S ystems Appr oach to Planning, Scheduling, and Controlling. USA:, 2003 – 878p.

158. John A. Klien A rctic and su barctic co nstruction r unway a nd road design . – Washington, D.C.: Department of the army, 1954.

159. Kö mle N.I ., Wenjie Feng Variat ion of the Fro st Bo undary below Ro ad and Railway Embankments in Permafrost Regions in Response to Solar Irradiation and Winds // http://www.comsol.com/ URL: http://www.comsol.com/paper/download/45849/Koemle.pdf (дата обращения: 5.12.2013).

160. Lewis, Ja mes P. Project Planning, Scheduling & Contro l. USA.: Donnelley C°, 2000 – 540p.

161. Ne w tec hnologies of road c onstruction // http://i met–group.com/ URL : http://imet–group.com/?page_id=434&lang=en (дата обращения: 03.12.2013).

162. Permafrost A Building Problem in Alaska by Richard Seif ert Extension Co m-munity S ustainability Coord inator // http://w ww.uaf.edu/ UR L: http://www.uaf.edu/files/ces/publications–db/catalog/eeh/HCM–00754.pdf (дата обращения: 26.06.2013).

163. Reimchen, D., G. Dore, D. Fortier, B. Stanley and R. Walsh. Cost and Construc-tability of Permafrost Test Sections Alon g the Alaska Highwa y, Yukon. Proc. 2009 Annua l

141

Conference, Trans portation As sociation of Canada, Ottawa, On 2009 // http: //conf.tac–atc.ca/ URL: http://conf .tac–atc.ca/english/resourcecentre/readingroom/conference/conf2009/pdf/Reimchen.pdf (дата обращения: 30.11.2013).

164. Smith N. , Berg R. Encountering massive ground ice during road constraction in Central Alaska. –In: Second Intern. Conf . on P ermafrost, 16 – 18 Ju ly 197 3, Yakutsk, USSR. North American Contri bution. Nat. Acad. of Sci. WashingtonD.C. , 1973, p. 730–736.

165. The “PROVEN” innovative solution for seasonal soil shifting and soil destabili-zation // http://dia mondj.ca/ URL: http:// diamondj.ca/frostwick.pdf (дата обращения: 7.12.2013).

142

Приложение 1

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ ДЛЯ ЛИНЕЙНОГО ДОРОЖНОГО РАЙОНИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ

Линейное дорожное районирование выполнялось в порядке опытно-экспериментальной проверки методики по заказам проектных организаций. В при-ложении представлены результаты и анализ моделирования по объекту: автомобиль-ная дорога «Вилюй» от автомобильной дороги М-53 «Байкал» через Братск, Усть-Кут, Мирный до Якутска в Республике Саха (Якутия), на участке км 44+000 − км 55+600;

Инженерные изыскания, выполнены ОАО «ИркутскгипродорНИИ» в марте 2009 г. Метеорологические данные, характеризующие климат района изысканий, в основ-ном представлены по ближайшей к району изысканий метеорологической станции Нюрба, открытой в 1933 г. По характеру растительного покрова описываемый район относится к зоне тайги, где основной лесообразующей породой является лиственница. Район изысканий находится в области сплошной многолетней мерзлоты, в пределах которой встречаются районы с мощной толщей рыхлых отложений. В геологическом строении широко развиты четвертичные отложения – озерно-ледниковые, аллюви-альные гравийно-галечниковые грунты, пески различной крупности, суглинки и супе-си, как с примесью, так и без примеси органических веществ, озерно-болотные обра-зования, представленные маломощными (до 1,2 м) торфами. Основным водоносным горизонтом территории являются надмерзлотные воды. Физико-геологические про-цессы и явления, в основном, обусловлены наличием многолетнемерзлых грунтов, залегающих близко к дневной поверхности на глубине от 2,5 до 8,7 м. Многолетне-мерзлые грунты твердомерзлые слабольдистые. Криогенная текстура массивная и слоистая. Согласно ВСН 84-89 категория просадочности грунтов – 2.

Основой для районирования послужили данные продольного разреза трассы до-роги по 14-ти показателям. По результатам инженерного районирования на участке выделено 35 ИГЭ. В процессе реализации таксонометрического метода сформировано 11 ОТЕ, которые затем были объединены в 4 ЛДК.

Фрагменты расчетов показателей линейного дорожного районирова-ния в программе MS Excel представлены на рис. П.1.1 − П.1.7. и в табли-цах П.1.1., П.1.2.

143

Значение показателей по пикетам (ландшафтный профиль) Показатель ПК0 ПК1 ПК2 ПК3 ПК4 ПК5 ПК6

Номер скважины с-25 с-26 с-27 Уровень ВГВМГ ,м 3,8 3,9 3,9 4 3,7 3,5 3,3 Температура на глу-бине 4м, С -1,2 -1,1 -1,1 -1 -1,1 -1,2 -1,3

Растительный слой Толщина слоя, м 0,3 0,3 ИГЭ 1 1

Вид грунта

Почвенно расти-

тельный слой

Почвенно расти-

тельный слой

1-й слой грунта Толщина слоя, м 1,4 1,4 1,3 1,3 1,3 1,2 1,2 ИГЭ 2 2 2 2 17 17 17 Состояние по влаж-ности 1 1 1 1 4 4 4

Вид грунта

Супесь песчани-

стая твердая

Супесь песчани-

стая твердая

Супесь песчани-

стая твердая

Супесь песчани-

стая твердая

Суглинок легкий

пылева-тый теку-

чепла-стичный

Суглинок легкий

пылева-тый теку-

чепла-стичный

Суглинок легкий

пылева-тый теку-

чепла-стичный

Плотность грунта, г/см3 1,65 1,65 1,65 1,65 2,06 2,06 2,06

Модуль деформа-ции, Мпа 16.0 16,0 16,0 16,0 5,0 5,0 5,.0

Условное сопротив-ление, МПа 3,0 3,0 3,0 3,0 - - -

Коэффициент порис-тости 0,65 0,65 0,65 0,65 0,54 0,54 0,54

Группа грунта по степени пучинисто-сти

3 3 3 3 3 3 3

2-й слой грунта Толщина слоя, м 2,4 2,4 2,6 2,7 2,2 2 1,8 ИГЭ 11 11 11 11 5 5 5 Состояние по влаж-ности 1 1 1 1 5 5 5

Вид грунта

Супесь песчани-

стая твердая

Супесь песчани-

стая твердая

Супесь песчани-

стая твердая

Супесь песчани-

стая твердая

Песок мелкий

плотный насы-

щенный водой

Песок мелкий

плотный насы-

щенный водой

Песок мелкий

плотный насы-

щенный водой

Плотность грунта, г/см3 1,65 1,65 1,65 1,65 1,6 1,6 1,6

Модуль деформа-ции, МПа 16,0 16,0 16,0 16,0 38,0 38,0 38,0

Условное сопротив-ление, МПА 3,0 3,0 3,0 3,0 2,0 2,0 2,0

Коэффициент порис-тости 0,65 0,65 0,65 0,65 0,55 0,55 0,55

Группа грунта по степени пучинисто-сти

3 3 3 3 4 4 4

Рис. П.1.1. Фрагмент представления исходных данных в программе MS Excel (начало)

144

3-й слой грунта

Толщина слоя, м 1,2 0,6 1 1 1,3 1,5 1,7 ИГЭ 15 15 14 14 14 14 14 Состояние по влаж-ности 3 3 2 2 2 2 2

Вид грунта

Суглинок легкий

песчани-стый

льдистый

Суглинок легкий

песчани-стый

льдистый

Суглинок легкий

песчани-стый сла-больди-стый с

примесью органики

Суглинок легкий

песчани-стый сла-больди-стый с

примесью органики

Суглинок легкий

песчани-стый сла-больди-стый с

примесью органики

Суглинок легкий

песчани-стый сла-больди-стый с

примесью органики

Суглинок легкий

песчани-стый сла-больди-стый с

примесью органики

Плотность грунта, г/см3 1,77 1,77 1,7 1,7 1,7 1,7 1,7

Модуль деформа-ции, МПа - - - - - - -

Условное сопротив-ление, кгс/см2 - - - - - - -

Коэффициент порис-тости 1,15 1,15 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95

Группа грунта по степени пучинисто-сти

3 3 3 3 3 3 3

1 точка 125,11 125,81 126,83 127,51 129,38 131,49 131,62 2 точка 125,17 126,2 127,14 128,42 129,89 131,67 131,39 3 точка 125,81 126,83 127,51 129,38 130,41 131,62 131,46 4 точка 131,03 5 точка 131,49 6 точка Превышения 1-2 точка 0,06 0,39 0,31 0,91 0,51 0,18 -0,23 2-3 точка 0,64 0,63 0,37 0,96 0,52 -0,05 0,07 3-4 точка 0,62 4-5 точка 0,46 5-6 точка Колличество изме-нений превышения 0 0 0 0 0 1 1

Ритм рельефа, км 0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,050 0,050 Средняя глубина расчленения рельефа , м

0,175 0,255 0,170 0,467 0,352 0,057 0,075

Рис. П.1.1. Фрагмент представления исходных данных

в программе MS Excel (окончание)

145

Показатель ПК0 ТИП ПО-КАЗАТЕЛЯ

Макси-мальный

К вар Среднее Ст откл К вар

Уровень ВГВМГ ,м 3,8 0,15 3,8 0 0,000

Вид грунта рас-тительного слоя

0 0,15 0 0 0,000

Толщина рас-тительного слоя

0 0,15 0 0 0,000

Параметры расчетного ИГЭ 1-го слоя Плотность грунта, г/см3 1,65 физический 0,15 1,65 0 0,000

Модуль дефор-мации, МПа 16,0 Механиче-

ский 0,15 16,0 0 0,000

Коэффициент пористости 0,65 физический 0,15 0,65 0 0,000

Группа грунта по степени пу-чинистости

3 физический 0,15 3 0 0,000

Состояние по влажности 1 физический 0,15 1 0 0,000

Параметры расчетного ИГЭ 2-го слоя Плотность грунта, г/см3 1,77 физический 0,15 1,77 0 0,000

Коэффициент пористости 1,15 физический 0,15 1,15 0 0,000

Группа грунта по степени пу-чинистости

3 физический 0,15 3 0 0,000

Состояние по влажности 3 физический 0,15 3 0 0,000

Температура на глубине 4м, °С 1,2 физический 0,15 1,2 0 0,000

Рис. П.1.2. Формирование ОТЕ-1

146

Рис. П.1.3. Формирование ОТЕ-2

Показатель ПК1 ПК2 ПК3 ТИП

ПОКА-ЗАТЕЛЯ

Максисимальмаль-ный К

вар

Среднее Ст. откл. К вар

Уровень ВГВМГ ,м 3,9 3,9 4 0,15 3,933 0,057 0,015

Вид грунта рас-тительного слоя

0 0 0 0,15 0 0 0,000

Толщина рас-тительного слоя

0 0 0 0,15 0 0 0,000

Параметры расчетного ИГЭ 1-го слоя Плотность грунта, г/см3 1,65 1,65 1,65 физи-

ческий 0,15 1,650 0 0,000

Модуль дефор-мации, МПа 16,0 16,0 16,0

Меха-ниче-ский

0,15 16,000 0 0,000

Коэффициент пористости 0,65 0,65 0,65 физи-

ческий 0,15 0,650 0 0,000

Группа грунта по степени пу-чинистости

3 3 3 физи-ческий 0,15 3 0 0,000

Состояние по влажности 1 1 1 физи-

ческий 0,15 1 0 0,000

Параметры расчетного ИГЭ 2-го слоя Плотность грунта, г/см3 1,735 1,7 1,7 физи-

ческий 0,15 1,711 0,020 0,012

Коэффициент пористости 1,05 0,95 0,95 физи-

ческий 0,15 0,983 0,058 0,059

Группа грунта по степени пу-чинистости

3 3 3 физи-ческий 0,15 3 0 0,000

Состояние по влажности 2,5 2 2 физи-

ческий 0,15 2,166 0,289 0,133

Температура на глубине 4м, ºС 1,1 1,1 1 физи-

ческий 0,15 1,066 0,058 0,054

147

Пок

азат

ель

ОТ Е1

О

Т Е2

ОТ Е3

О

Т Е4

ОТ Е5

О

Т Е6

ОТ Е7

О

Т Е8

ОТ Е9

О

ТЕ1

0 О

ТЕ1

1 О

ТЕ1

2 О

ТЕ1

3 О

ТЕ1

4 О

ТЕ1

5 О

ТЕ1

6 О

ТЕ1

7 О

ТЕ1

8 О

ТЕ1

9 О

ТЕ2

0 О

ТЕ2

1 О

ТЕ2

2 У

рове

нь В

ГВМ

Г ,м

3,

80

3,93

3,

70

3,37

3,

20

2,40

2,

55

2,60

2,

60

3,00

3,

10

2,20

2,

10

2,50

2,

90

2,70

2,

83

2,50

2,

78

3,75

4,

25

3,20

В

ид г

рунт

а ра

сти-

тель

ного

сло

я 0,

00

0,00

0,

00

1,00

1,

00

1,00

1,

00

1,00

1,

00

1,00

1,

00

1,00

1,

00

1,00

1,

00

1,00

1,

00

1,00

1,

00

2,00

2,

00

2,00

Толщ

ина

раст

и-те

льно

го с

лоя

0,00

0,

00

0,00

0,

30

0,30

0,

30

0,30

0,

30

0,30

0,

30

0,30

0,

30

0,30

0,

30

0,30

0,

30

0,30

0,

30

0,30

0,

20

0,20

0,

20

Пар

амет

ры р

асче

тног

о И

ГЭ 1

-го

слоя

П

лотн

ость

гру

нта,

г/

см3

1,65

1,

65

1,77

1,

76

1,62

1,

65

1,15

2,

06

2,06

1,

66

1,66

1,

87

1,96

1,

70

1,27

1,

15

1,32

1,

73

1,70

1,

68

1,69

1,

53

Мод

уль

дефо

рма-

ции,

МП

а 16

,0

16,0

25

,7

26,1

28

,1

16,0

6,

0 5,

0 5,

0 14

,6

14,1

10

,1

7,7

8,5

8,3

6,0

9,4

13,6

8,

5 11

,5

13,9

8,

0

Коэ

ффиц

иент

по-

рист

ости

0,

65

0,65

0,

55

0,55

0,

59

0,65

0,

80

0,54

0,

54

0,65

0,

65

0,78

0,

84

0,65

0,

77

0,80

0,

75

0,55

0,

65

0,65

0,

62

0,76

Груп

па г

рунт

а по

ст

епен

и пу

чини

-ст

ости

3,

00

3,00

4,

00

4,00

4,

00

3,00

3,

00

3,00

3,

00

3,00

3,

00

3,00

3,

50

4,00

3,

00

3,00

3,

00

3,00

4,

00

4,00

3,

00

3,00

Сос

тоян

ие п

о вл

ажно

сти

1,00

1,

00

4,50

4,

50

3,00

1,

00

4,00

4,

00

4,00

2,

50

2,50

3,

00

3,00

4,

50

2,50

4,

00

2,50

4,

00

4,20

5,

00

4,75

3,

33

Пар

амет

ры р

асче

тног

о И

ГЭ 2

-го

слоя

П

лотн

ость

гру

нта,

г/

см3

1,77

1,

71

1,70

1,

70

1,70

1,

96

1,96

1,

96

1,84

1,

77

1,15

1,

75

1,67

1,

57

2,01

1,

95

1,95

1,

95

1,96

1,

96

1,96

1,

15

Коэ

ффиц

иент

по-

рист

ости

1,

15

0,98

0,

95

0,95

0,

95

0,63

0,

62

0,63

0,

96

1,15

0,

66

0,61

0,

61

0,78

0,

61

0,57

0,

57

0,57

0,

65

0,65

0,

65

0,66

Груп

па г

рунт

а по

ст

епен

и пу

чини

-ст

ости

3,

00

3,00

3,

00

3,00

3,

00

3,00

3,

00

3,00

3,

00

3,00

4,

00

2,00

2,

00

3,00

2,

00

1,00

1,

00

1,00

2,

00

2,00

2,

00

4,00

Сос

тоян

ие п

о вл

ажно

сти

3,00

2,

17

2,00

2,

00

2,00

2,

00

2,00

2,

00

2,00

3,

00

4,00

2,

33

2,42

3,

00

2,33

2,

00

2,50

2,

50

2,00

2,

00

4,00

4,

00

Темп

ерат

ура

на

глуб

ине

ниж

е 0

4м,

°С

1,20

1,

07

1,10

1,

23

1,30

1,

40

1,25

1,

20

1,30

1,

30

1,20

1,

30

1,15

1,

20

1,20

1,

30

1,20

1,

10

1,26

1,

20

1,20

1,

30

Ри

с. П

.1.4

. Зна

чени

я па

раме

тров

по

ОТЕ

147

148

ОТЕ

1 О

ТЕ2

ОТЕ

3 О

ТЕ4

ОТЕ

5 О

ТЕ6

ОТЕ

7 О

ТЕ8

ОТЕ

9 О

ТЕ10

О

ТЕ11

О

ТЕ12

О

ТЕ13

О

ТЕ14

О

ТЕ15

О

ТЕ16

О

ТЕ17

О

ТЕ1

0 0,

42

2,52

3,

19

2,78

2,

54

3,39

3,

17

2,56

1,

07

2,49

2,

90

3,44

3,

36

2,53

3,

99

2,81

О

ТЕ2

0,42

0

2,09

3,

10

2,87

2,

65

3,13

2,

79

2,71

1,

77

2,82

2,

87

3,08

3,

49

2,27

3,

78

2,57

О

ТЕ3

2,52

2,

09

0 0,

88

1,31

4,

31

4,39

3,

35

3,26

3,

13

4,23

4,

12

3,58

2,

11

4,09

5,

02

4,30

О

ТЕ4

3,19

3,

10

0,88

0

0,24

2,

91

3,37

2,

48

2,15

2,

05

3,41

2,

94

2,75

1,

21

3,24

3,

90

3,44

О

ТЕ5

2,78

2,

87

1,31

0,

24

0 2,

16

3,15

2,

87

2,43

1,

76

3,25

2,

68

2,66

1,

44

2,88

3,

63

3,10

О

ТЕ6

2,54

2,

65

4,31

2,

91

2,16

0

1,47

1,

47

1,53

1,

37

2,61

0,

83

1,92

2,

76

1,11

1,

83

1,36

О

ТЕ7

3,39

3,

13

4,39

3,

37

3,15

1,

47

0 1,

66

1,99

1,

95

2,87

0,

96

1,52

2,

15

0,37

0,

48

0,78

О

ТЕ8

3,17

2,

79

3,35

2,

48

2,87

1,

47

1,66

0

0,42

1,

80

2,65

1,

03

1,51

1,

83

1,56

2,

18

1,77

О

ТЕ9

2,56

2,

71

3,26

2,

15

2,43

1,

53

1,99

0,

42

0 1,

01

2,75

1,

22

1,96

1,

84

2,02

2,

52

2,28

О

ТЕ10

1,

07

1,77

3,

13

2,05

1,

76

1,37

1,

95

1,80

1,

01

0 1,

63

1,43

2,

20

1,89

1,

59

2,50

1,

84

ОТЕ

11

2,49

2,

82

4,23

3,

41

3,25

2,

61

2,87

2,

65

2,75

1,

63

0 2,

16

2,45

2,

03

2,53

3,

80

2,73

О

ТЕ12

2,

90

2,87

4,

12

2,94

2,

68

0,83

0,

96

1,03

1,

22

1,43

2,

16

0 0,

52

1,80

0,

75

0,97

0,

74

ОТЕ

13

3,44

3,

08

3,58

2,

75

2,66

1,

92

1,52

1,

51

1,96

2,

20

2,45

0,

52

0 1,

15

1,22

1,

67

1,19

О

ТЕ14

3,

36

3,49

2,

11

1,21

1,

44

2,76

2,

15

1,83

1,

84

1,89

2,

03

1,80

1,

15

0 2,

20

2,72

2,

36

ОТЕ

15

2,53

2,

27

4,09

3,

24

2,88

1,

11

0,37

1,

56

2,02

1,

59

2,53

0,

75

1,22

2,

20

0 0,

43

0,14

О

ТЕ16

3,

99

3,78

5,

02

3,90

3,

63

1,83

0,

48

2,18

2,

52

2,50

3,

80

0,97

1,

67

2,72

0,

43

0 0,

38

ОТЕ

17

2,81

2,

57

4,30

3,

44

3,10

1,

36

0,78

1,

77

2,28

1,

84

2,73

0,

74

1,19

2,

36

0,14

0,

38

0 О

ТЕ18

3,

30

2,84

3,

29

2,63

2,

95

1,99

1,

80

0,88

1,

57

2,13

2,

85

1,15

1,

46

2,07

1,

13

1,51

0,

84

ОТЕ

19

3,80

3,

58

2,23

1,

23

1,35

2,

07

1,72

1,

45

1,71

2,

38

3,62

1,

47

1,12

0,

67

1,60

1,

74

1,67

О

ТЕ20

4,

34

3,91

2,

24

1,32

1,

71

3,21

2,

42

2,13

2,

50

3,02

4,

12

2,46

2,

02

1,28

2,

23

2,43

2,

31

Ри

с. П

.1.5

. Мат

рица

евк

лидо

вых

расс

тоян

ий п

о О

ТЕ

148

149

Рис.

П.1

.6.

Объ

един

ение

ОТЕ

в Л

ДК

149

150

Рис. П.1.7. График изменения межклассовых и внутриклассовых расстояний

151

Таблица П.1.1

Расчет средней ошибки аппроксимации и линейного коэффициента корреляции для инженерного районирования объекта «Железнодорожная линия Хани

(ИКАБЬЕКАН) – Тарыннахский горно-обогатительный комбинат» на участке протяженностью 7,8 км (ПК 522 - ПК601)

ЛДК ОТЕ ПК

Плотность грунта, г/см3

Модуль дефор-мации, МПА

Объемная теплоемкость грунта в талом состоя-

нии, Дж/(м3*град)

по ПК по ЛДК по ПК по

ЛДК по ПК по ЛДК

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ЛДК1 ОТЕ1 ПК522 1,68 1,81 11,07 13,24 621,52 627,11 ЛДК1 ОТЕ1 ПК523 1,75 1,81 11,08 13,24 587,57 627,11 ЛДК1 ОТЕ2 ПК524 1,87 1,81 11,89 13,24 581,15 627,11 ЛДК1 ОТЕ2 ПК525 1,97 1,81 13,88 13,24 692,42 627,11 ЛДК1 ОТЕ2 ПК526 1,79 1,81 18,29 13,24 652,89 627,11 ЛДК2 ОТЕ3 ПК527 1,97 2,17 44,81 47,99 581,40 637,08 ЛДК2 ОТЕ3 ПК528 2,01 2,17 52,94 47,99 635,47 637,08 ЛДК2 ОТЕ3 ПК529 2,13 2,17 53,38 47,99 679,81 637,08 ЛДК2 ОТЕ3 ПК530 2,22 2,17 48,28 47,99 682,36 637,08 ЛДК2 ОТЕ5 ПК534 2,17 2,17 54,98 47,99 669,73 637,08 ЛДК2 ОТЕ6 ПК535 2,02 2,17 32,64 47,99 646,62 637,08 ЛДК2 ОТЕ6 ПК536 1,86 2,17 37,58 47,99 584,69 637,08 ЛДК2 ОТЕ6 ПК537 1,95 2,17 31,70 47,99 627,75 637,08 ЛДК2 ОТЕ17 ПК567 2,29 2,17 50,20 47,99 592,35 637,08 ЛДК2 ОТЕ17 ПК568 2,27 2,17 53,46 47,99 652,45 637,08 ЛДК2 ОТЕ17 ПК569 2,22 2,17 52,33 47,99 692,68 637,08 ЛДК2 ОТЕ18 ПК570 2,46 2,17 54,82 47,99 577,55 637,08 ЛДК2 ОТЕ18 ПК571 2,42 2,17 56,96 47,99 686,27 637,08 ЛДК2 ОТЕ18 ПК572 2,40 2,17 54,31 47,99 637,41 637,08 ЛДК2 ОТЕ19 ПК573 2,26 2,17 43,32 47,99 643,78 637,08 ЛДК2 ОТЕ19 ПК574 2,20 2,17 44,09 47,99 672,42 637,08 ЛДК2 ОТЕ19 ПК575 1,97 2,17 48,83 47,99 678,02 637,08 ЛДК2 ОТЕ20 ПК576 2,19 2,17 48,19 47,99 650,80 637,08 ЛДК2 ОТЕ22 ПК579 2,15 2,17 55,16 47,99 568,46 637,08 ЛДК2 ОТЕ22 ПК580 2,01 2,17 44,16 47,99 571,82 637,08 ЛДК2 ОТЕ22 ПК581 2,24 2,17 47,29 47,99 586,15 637,08 ЛДК2 ОТЕ23 ПК582 2,27 2,17 45,20 47,99 653,60 637,08 ЛДК2 ОТЕ23 ПК583 2,23 2,17 49,09 47,99 681,26 637,08 ЛДК3 ОТЕ4 ПК531 1,86 1,92 29,99 33,06 508,66 503,15 ЛДК3 ОТЕ4 ПК532 1,85 1,92 37,74 33,06 567,26 503,15 ЛДК3 ОТЕ4 ПК533 1,80 1,92 41,92 33,06 495,60 503,15 ЛДК3 ОТЕ8 ПК539 1,79 1,92 13,47 33,06 394,61 503,15 ЛДК3 ОТЕ8 ПК540 1,86 1,92 12,23 33,06 410,38 503,15 ЛДК3 ОТЕ8 ПК541 1,98 1,92 11,91 33,06 437,51 503,15 ЛДК3 ОТЕ11 ПК549 1,82 1,92 33,57 33,06 581,22 503,15

152

Окончание табл. П.1.1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ЛДК3 ОТЕ11 ПК550 1,81 1,92 42,97 33,06 567,05 503,15 ЛДК3 ОТЕ11 ПК551 2,04 1,92 34,83 33,06 459,95 503,15 ЛДК3 ОТЕ11 ПК552 1,92 1,92 39,58 33,06 512,37 503,15 ЛДК3 ОТЕ13 ПК555 2,10 1,92 40,71 33,06 471,71 503,15 ЛДК3 ОТЕ13 ПК556 2,03 1,92 40,17 33,06 500,39 503,15 ЛДК3 ОТЕ13 ПК557 1,95 1,92 35,21 33,06 555,23 503,15 ЛДК3 ОТЕ15 ПК561 2,04 1,92 41,35 33,06 547,36 503,15 ЛДК3 ОТЕ15 ПК562 1,87 1,92 41,35 33,06 538,26 503,15 ЛДК3 ОТЕ15 ПК563 2,04 1,92 32,04 33,06 502,84 503,15 ЛДК4 ОТЕ7 ПК538 1,23 1,18 8,02 10,79 528,40 614,34 ЛДК4 ОТЕ26 ПК586 1,29 1,18 5,41 10,79 605,42 614,34 ЛДК4 ОТЕ27 ПК587 1,24 1,18 11,70 10,79 693,35 614,34 ЛДК4 ОТЕ27 ПК588 1,00 1,18 13,52 10,79 574,50 614,34 ЛДК4 ОТЕ27 ПК589 1,08 1,18 12,37 10,79 653,76 614,34 ЛДК4 ОТЕ27 ПК590 1,21 1,18 13,73 10,79 630,61 614,34 ЛДК5 ОТЕ9 ПК542 1,97 1,94 41,84 32,99 842,99 731,28 ЛДК5 ОТЕ9 ПК543 1,93 1,94 37,34 32,99 796,56 731,28 ЛДК5 ОТЕ9 ПК544 1,96 1,94 39,66 32,99 842,96 731,28 ЛДК5 ОТЕ9 ПК545 1,79 1,94 31,03 32,99 864,90 731,28 ЛДК5 ОТЕ10 ПК546 2,04 1,94 23,77 32,99 672,96 731,28 ЛДК5 ОТЕ10 ПК547 1,93 1,94 21,46 32,99 610,80 731,28 ЛДК5 ОТЕ10 ПК548 2,02 1,94 31,20 32,99 690,25 731,28 ЛДК5 ОТЕ14 ПК558 1,92 1,94 33,50 32,99 648,58 731,28 ЛДК5 ОТЕ14 ПК559 1,97 1,94 31,69 32,99 717,48 731,28 ЛДК5 ОТЕ14 ПК560 1,86 1,94 38,40 32,99 625,38 731,28 ЛДК6 ОТЕ12 ПК553 1,29 1,20 7,00 9,13 839,27 883,32 ЛДК6 ОТЕ12 ПК554 1,24 1,20 4,37 9,13 771,39 883,32 ЛДК6 ОТЕ24 ПК584 1,27 1,20 10,09 9,13 953,68 883,32 ЛДК6 ОТЕ25 ПК585 1,00 1,20 15,05 9,13 968,94 883,32 ЛДК7 ОТЕ16 ПК564 1,29 1,34 13,02 13,22 327,47 381,69 ЛДК7 ОТЕ16 ПК565 1,26 1,34 15,78 13,22 414,38 381,69 ЛДК7 ОТЕ16 ПК566 1,48 1,34 10,86 13,22 403,22 381,69 ЛДК8 ОТЕ21 ПК577 2,15 2,30 55,76 52,16 700,11 676,91 ЛДК8 ОТЕ21 ПК578 2,45 2,30 48,56 52,16 653,72 676,91 ЛДК9 ОТЕ28 ПК591 1,95 1,78 16,49 14,17 665,28 551,36 ЛДК9 ОТЕ28 ПК592 1,69 1,78 18,03 14,17 639,34 551,36 ЛДК9 ОТЕ29 ПК593 1,73 1,78 12,97 14,17 510,05 551,36 ЛДК9 ОТЕ29 ПК594 1,78 1,78 10,89 14,17 454,59 551,36 ЛДК9 ОТЕ29 ПК595 1,85 1,78 11,26 14,17 518,97 551,36 ЛДК9 ОТЕ29 ПК596 1,70 1,78 15,37 14,17 519,93 551,36 ЛДК10 ОТЕ30 ПК597 2,07 1,91 18,69 25,23 479,16 526,67 ЛДК10 ОТЕ31 ПК598 1,73 1,91 31,94 25,23 626,53 526,67 ЛДК10 ОТЕ32 ПК599 2,06 1,91 25,04 25,23 385,41 526,67 ЛДК10 ОТЕ33 ПК600 1,77 1,91 25,26 25,23 615,57 526,67 Коэффициент линейной кор-

реляции r 0,94 0,91 0,86

153

Таблица П.1.2

Оценка коллинеарности факторов , включаемых в модель классифи-кации для объекта «Железнодорожная линия Хани (ИКАБЬЕКАН) – ТА-РЫННАХСКИЙ горно-обогатительный комбинат» на участке протяжен-

ностью 7,8 км (ПК 522 - ПК601)

Показатель Плотность

грунта, г/см3

Модуль де-формации,

МПа

Коэффициент пористости

Группа грун-та по степени пучинистости

Состояние по влажно-

сти Верхний слой (сезонно-талый)

Плотность грунта, г/см3 - 0,199 -0,543 0,197 0,175

Модуль де-формации,

МПа 0,199 - -0,543 0,356 -0,085

Коэффициент пористости -0,543 -0,576 - -0,112 -0,235

Группа грун-та по степени пучинистости

0,197 0,356 -0,112 - 0,384

Состояние по влажности 0,175 -0,085 -0,235 0,384

Нижний слой (многолетнемерзлый грунт)

Плотность грунта, г/см3

Коэффициент пористости

Группа грун-та по степени пучинистости

Состояние по влажности

Температура на глубине

ниже 4 м, °С Плотность

грунта, г/см3 - -0,267 -0,713 -0,503 -0,183

Коэффициент пористости -0,267 - -0,713 -0,094 0,017

Группа грун-та по степени пучинистости

-0,713 0,546 - 0,276 0,322

Состояние по влажности -0,503 -0,094 0,276 - 0,067

Температура на глубине 4 м, °С

-0,183 0,017 0,322 0,067 -

Примечание. В ячейках приведены значения коэффициентов парной корреляции.

154

Приложение 2

ПРИМЕРЫ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ММГ

Разработанное нами программное обеспечение для ПЭВМ использо-вано для экспериментальных расчетов конструкций земляного полотна на участках ЛДК, полученных на основе линейного дорожного районирова-ния следующих объектов :

1. Автомобильная дорога М 56 «Лена», от Невера до Якутска км 93 - км 123.

2. Автомобильная дорога «Вилюй», от автомобильной дороги М-53 «Байкал» через Братск, Усть-Кут, Мирный до Якутска в Республике Саха (Якутия), на участке км 44+000- км 55+600.

Геокриологические характеристики объектов приняты на основе ин-женерных изысканий. В качестве примера расчета параметров рассмотре-ны 4 варианта конструкций насыпи земляного полотна.

Конструкция дорожной одежды принята одна для всех вариантов: − горячий плотный мелкозернистый асфальтобетон тип Б, II марки −

5 см; − пористый крупнозернистый асфальтобетона II марки на битуме

марки БНД 90/130 − 7 см; − черный щебень по способу заклинки, приготовленный в установке

− 8 см; − щебеночно-песчаная смесь С-4 − 22 см. Вариант 1 (рис. П.2.1). Запроектирован институтом ТРАНСПРОЕКТ

для II ДКЗ согласно допущению в пункте 3.15 ВСН 84-89. Возводить зем-ляное полотно предполагается в летний период. Почвенно-растительный слой не снимается. Конструкция земляного полотна: щебенистый грунт с супесчаным и суглинистым твердым заполнителем до 32,1 % (мощность слоя 1,51 м).

155

Рис. П.2.1. Вариант 1 конструкции земляного полотна

Вариант 2 (рис. П.2.2). Запроектирован на основании опытных разра-боток СОЮЗДОРНИИ для I3 ДКЗ, по первому принципу проектирования на вечномерзлых грунтах. Конструкция насыпи включает следующие эле-менты: верхняя часть насыпи из сыпучемерзлого песчаного грунта с ко-эффициентом фильтрации не менее 2 м/сут (слой не менее 30 см). Нижняя часть насыпи (ядро) из местного мерзлокомковатого (разрыхленного мерзлого) грунта, гидроизолирующая прослойка, торфяная присыпка от-косной части. Толщина торфяной прослойки не более 0,5 м (технологиче-ское условие). Толщина ядра из мерзлокомковатого грунта не менее 0,5 м (условие технико-экономической целесообразности). Защита ядра от от-таивания со стороны откосов обеспечивается устройством на откосах тор-фяных призм. Толщина призмы должна быть не менее глубины сезонного оттаивания торфа. При устройстве теплоизолирующего слоя использует-ся торф типа I-А с влажностью не более 500-600 %, уплотнение до плотности не менее 0,16 г/см3 .

Мерзлокомковатый грунт должен иметь размеры не более 2/3 толщи-ны уплотненного слоя. Максимальный размер комьев не должен превы-шать 30 см. Рекомендуется использовать тяжелые виброкатки. Температу-

156

ра укладки в пределах минус 15 − 20°С. Почвенно-растительный слой не снимается. Конструкция насыпи высотой 2 м: нижний слой − суглинок легкий дресвяный твердый (мощность слоя 1 м); верхний слой − щебени-стый грунт с супесчаным и суглинистым твердым заполнителем до 32,1 % (мощность слоя 0,51 м). Между верхним и нижним слоями предусмотрена разделяющая геотекстильная прослойка.

Рис. П.2.2. Вариант 2 конструкции земляного полотна

Вариант 3 (рис. П.2.3). Запроектирован институтом «ТРАНСПРО-ЕКТ» для II ДКЗ согласно допущению в пункте 3.15 ВСН 84-89. Возво-дить земляное полотно предполагается в летний период. Почвенно-растительный слой не снимается. Конструкция земляного полотна: ниж-ний слой − суглинок легкий дресвяный твердый (мощность слоя 2,56 м); верхний слой − щебенистый грунт с супесчаным и суглинистым твердым заполнителем до 32,1 % (мощность слоя 1 м).

157

Рис. П.2.3. Вариант 3 конструкции земляного полотна

Вариант 4 (рис. П.2.4). Ззапроектирован на основании опытных раз-работок СОЮЗДОРНИИ для I3 ДКЗ, по первому принципу проектирова-ния на вечномерзлых грунтах. Возводить земляное полотно предполагает-ся в зимний период. Почвенно-растительный слой не снимается. Конст-рукция земляного полотна: первый слой − торф (мощность слоя 0,3 м); второй слой − кварцит средней прочности, неразмягчаемый, слабовывет-релый (мощность слоя 0,48 м); между первым и вторым слоями преду-смотрена геотекстильная прослойка; третий слой − суглинок легкий дрес-вяный твердый мерзлый (мощность слоя 1,78 м); между вторым и третьим слоями предусмотрена геотекстильная прослойка; четвертый слой − ще-бенистый грунт с супесчаным и суглинистым твердым заполнителем до 32,1 % (мощность слоя 1 м).

158

Рис. П.2.4. Вариант 4 конструкции земляного полотна

Вариант 5 (рис. П.2.5). Запроектирован на основании изобретения ОАО «ИркутскгипродорНИИ» «Земляное полотно на многолетнемерзлых грунтах»: патент RU 2256030 C2, E 02 D 17/18 РФ для I3 ДКЗ, по первому принципу проектирования на вечномерзлых грунтах.

В тело земляного полотна из крупнообломочного или другого грунта включены прослойки из скального грунта, контактирующие с воздухом в периферийных зонах. Периферийные зоны в откосных частях снизу вы-полнены водонепроницаемыми, а прослойки из скального грунта соеди-нены между собой нижележащим слоем скального грунта. Высота водо-непроницаемых зон определяется расчетом. Водонепроницаемость снизу откосных частей периферийных зон в летний период препятствует фильт-рации теплых поверхностных вод (верховодки) в основание сооружения, что особенно опасно на высокотемпературной (неустойчивой) вечной мерзлоте.

159

В верхней откосной части земляного полотна скальные прослойки «продухи» контактируют с воздухом. Эти прослойки скального грунта со-единены между собой нижележащим слоем скального грунта. Водонепро-ницаемые части дополнительно по откосу сверху закрыты слоем из тепло-непроницаемых материалов (торф, высокопористые пены, ультрафиолето-стойкий геотекстиль).

Рис. П.2.5. Вариант 5 конструкции земляного полотна

Земляное сооружение работает следующим образом. В зимний пери-

од, с наступлением отрицательных температур, тяжелый холодный воздух попадает в скальные прослойки «продухи». Для их устройства используют крепкие неразмокаемые морозоустойчивые породы размером 20 − 40 мм . Холодный воздух по скальной прослойке опускается вниз сооружения в нижележащий слой скального грунта (желательно с содержанием мелко-зема не более 5 − 6 %). Этот слой контактирует непосредственно с нуж-

160

дающимся в подзарядке холодом основанием сооружения. Теплый воздух выдавливается через противоположный «продух». В нижней части сохра-няется пониженная температура, что способствует сохранению мерзлоты в основании насыпи, повышая его общую устойчивость и эксплуатацион-ную надежность.

Конструкция представляет собой насыпь высотой до 4-х метров. По формуле изобретения, приведенной в патенте, рассчитана высота водоне-проницаемых откосных периферийных зон :

,

где – высота водонепроницаемых откосных периферийных зон, м; и

– величина осадки и толщина снега или поверхностных вод у сооруже-ния, м; – эффективная толщина контакта с воздухом прослоек из скального грунта в периферийных зонах, м; и – высота сооружения и толщина обочин (или дорожной одежды) в периферийных зонах, м.

Высота принята равной 1,5 м. Возводить земляное полотно предполагается в зимний период. Поч-

венно-растительный слой не снимается. Грунт земляного полотна: квар-цит средней прочности, неразмягчаемый, слабовыветрелый (мощность слоя 3,56 м).

Результаты расчета устойчивости дорожных насыпей на ММГ по ВСН 84-89 средствами программного комплекса Microsoft Excel приведе-ны в табл. П.2.1.

По результатам расчета на устойчивость по ВСН 84-49 можно сделать вывод, что варианты конструкций 1 и 2 не удовлетворяют условиям ус-тойчивости, высота насыпей должна быть увеличена. Варианты 3, 4 и 5 конструкции по данным расчетов удовлетворяют условиям устойчивости.

Результаты расчета этих же конструкций по критерию тепловой ус-тойчивости kт.у с применением разработанного нами програмного обеспе-чения представлены в табл. П.2.2.

161

Таблица П.2.1

Расчет устойчивости насыпей на ММГ по ВСН 84-89

Номер вари-анта

Глубина се-зонного от-

таивания конструкции

Hк, м

Мощ- ность деятель-ного слоя HДС, м

Относи-тельная осадка грунта основа-

ния

Допусти-мая осад-ка по по-крытию Sдоп, м

Учет наличия геотек-стиля

Строи-тельная осадка Sc, м

Высота конст-рукции

H, м

1 2,75 2,17 0,15

0,04

1 0,107 2,55 2 2,46 - - 0,88 - 2,16 3 2,54 2,66 0,18 1 0,053 2,37 4 3,651 - - 0,88 - 3,213 5 2,751 - - 1 - 2,751

Таблица П.2.2

Сравнение вариантов конструкций по критерию тепловой устойчивости

Показатель Вариант конструкции 1 2 3 4 5

Глубина промерзания ,м 2.59 2.16 2.13 2.24 2.67 Глубина оттаивания ,м 3.41 2.1 1.93 1.24 2.58 Коэффициент тепловой устойчивости 0.76 1.03 1,12 1.82 1.24

Тепловая устойчивость основания насыпи обеспечена в полной мере для конструкции по варианту 4, с небольшой корректировкой параметров проверку на устойчивость основания от оттаивания с доверительной веро-ятностью 90 % проходит конструкция по варианту 5. Конструкции по ва-риантам 1 и 2 не проходят проверку на устойчивость ни по одной из двух методик расчета. Вариант конструкции 2 проходит проверку по ВСН 84-89, но при оценке kт.у надежность конструкция не обеспечивается в полной мере и составляет только 80 %.

162

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………….. 3

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ В СЛОЖНЫХ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ……………………………..

5

1.1. Система организации проектирования дорожных объектов в России…. 5

1.2. Современные подходы к моделированию конструктивных решений земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах ………………………………..

13

1.3. Анализ методов организационно-технологического моделирования при строительстве земляного полотна в условиях криолитозоны ……………….

21

Глава 2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ИНЖЕНЕРНОМУ РАЙОНИРОВАНИЮ ТРАССЫ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ В СЛОЖНЫХ ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ……………………………………………

26

2.1. Общие принципы и цели линейного дорожного районирования в условиях криолитозоны………………………………………………………………..

26

2.2. Концептуальная модель и параметры многоуровневого инженерного районирования трассы дороги………………………………………………………..

33

2.3. Показатели для оценки классификационных признаков линейного до-рожного районирования………………………………………………………………

41

2.4. Математическое моделирование и алгоритмы классификации линей-ных дорожных комплексов………………………………………………………….

49

2.5. Реализация моделей линейного районирования и оценка их адекватно-сти в условиях ММГ………………………………………………………………….

59

Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА УЧАСТКАХ ЛИНЕЙНЫХ ДОРОЖНЫХ КОМПЛЕКСОВ………………….

72

3.1. Принципы формирования рациональных конструктивных решений зем-ляного полотна на ММГ с использованием баз данных……………………………

72

3.2. Автоматизация расчетов конструкций земляного полотна на участках ЛДК……………………………………………………………………………………..

77

163

3.3. Привязка конструктивных решений к участкам ЛДК……………………. 86

3.4. Влияние линейного дорожного районирования на качество и надеж-ность конструктивных решений земляного полотна………………………………..

95

Глава 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ПРИНЦИПАХ СТРУКТУРНО-МОДУЛЬНОГО ПОДХОДА …………………………………………………………………………….

101

4.1. Структура и взаимосвязь проектно-технологических модулей земляно-го полотна, модулей ресурсного и фронтального обеспечения строительства…….

101

4.2. Моделирование параметрами отрядов при строительстве земляного по-лотна на участках проектно-технологических модулей…………………………….

106

4.3. Имитационная модель проектирования организации строительства до-рог на многолетнемерзлых грунтах…………………………………………………..

113

4.4. Оценка экономической эффективности проектных решений земляного полотна на ММГ с учетом прогнозирования состояния дорожной конструкции….

121

Заключение…………………………………………………………………………….. 128

Библиографический список…………………………………………………………… 130

Приложение 1. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ ДЛЯ ЛИНЕЙНОГО ДОРОЖНОГО РАЙОНИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ……………………………………………………………………..

142

Приложение 2. ПРИМЕРЫ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ММГ…………………………………………………

154

164

Научное издание

Боброва Татьяна Викторовна Бедрин Евгений Андреевич

Дубенков Андрей Алексеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

В УСЛОВИЯХ КРИОЛИТОЗОНЫ

Монография

***

Редактор Т.И. Калинина

**

Подписано к печати 18.08.2016 Формат 60×90 1/16. Бумага писчая

Оперативный способ печати Гарнитура Times New Roman

Усл. п. л. 10,25 Тираж 500 экз. Заказ № 133

*** Редакционно-издательский отдел ИПЦ СибАДИ

644080, г. Омск, ул. 2-я Поселковая, 1

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии ИПЦ СибАДИ 644080, г. Омск, пр. Мира, 5