12 minute read
Enhancement of Effi ciency of Designing Повышение эффективности проектирования and Constructing Motor Roads и строительства автомобильных дорог in the Arctic Zone of Russiaв Арктической зоне России
В.В. Ушаков,
Advertisement
Doctor of Engineering, Professor, Department Chairman, Construction and Operation of Motorways, MADI
ENHANCEMENT OF EFFICIENCY OF DESIGNING AND CONSTRUCTING MOTOR ROADS IN THE ARCTIC ZONE OF RUSSIA
Районы Арктической зоны Российской Федерации характеризуются низкими зимними отрицательными температурами, близко залегающими к поверхнос ти многолетнемерзлыми породами, а также отдаленностью от экономически развитых районов страны и слабым развитием транспортной сети. Многие разведанные месторождения полезных ископаемых России находятся именно в таких районах с суровыми климатическими условиями. Повышение эффективности использования и производительности автомобильного транспорта в регионах с суровым климатом в значительной степени сдерживается неудовлетворительным состоянием автомобильных дорог и небольшим количеством дорог с твердым покрытием. Это связано прежде всего со сложностью строительства дорог, их низкой долговечностью и высокой стоимостью, отсутствием нормативных документов по эффективному проектированию, строительству и эксплуатации дорог в сложных природно-климатических условиях, а также с недооценкой влияния автомобильных дорог на экономическое развитие регионов. Опыт эксплуатации автомобильных дорог в северных районах страны показывает, что строительство дорожных одежд без учета особенностей воздействий природно-климатических факторов приводит к их быстрому разрушению. Суровые климатические условия предъявляют особые требования к физическим, технологическим и эксплуатационным свойствам дорожных конструкций. The Arctic zone of the Russian Federation regions are characterized by low winter negative temperatures, shallow permafrost, as well as remoteness from economically developed centers and a poorly developed transport network. Most explored mineral deposits of Russia are situated in such regions with severe climatic conditions. The enhancement of effi ciency of the use and productivity of motor transport in the regions with severe climatic conditions is largely kept down by an unsatisfactory state of motor roads and small number of paved roads. This is primarily associated with the complexity of road construction, their low durability and high cost, absence of regulatory documents for eff ective design, construction and operation of roads in diffi cult climatic and natural conditions, as well as the underestimate of the eff ect of motor roads on the economic development of the regions. Experience in motor road operation in the country’s northern areas shows that the construction of road pavements without taking into account the peculiarities of impacts climatic and natural factors leads to their rapid destruction. Severe climatic conditions impose special requirements for physical, technological and operational properties of road structures.
An increase in vehicles’ capacity and speed, high traffi c operation cost, and destructive eff ect of severe climate require creating strong road pavements, improving surface service quality, and increasing their service life and cheapening the construction. Research by MADI’s eminent road building scientists N.N. Ivanov, V.F. Babkov, V.K. Nekrasov, A.P. Vasiliev, E.M. Lobanov, N.A. Puzakov, A. Ya. Tu laev, Yu.M. Yakovlev and others has made a great contribution to developing a theoretical framework for design, construction and operation of motor roads. Many scientists stressed that the effi ciency of motor transport directly depends on the quality and serviceability of roads and their main component, i.e. road pavements. The effi ciency of design solutions and certain construction projects is determined by whether the effi ciency and service life of road structures will increase or decrease as a result of them. Theoretical and experimental research by MADI’s scientists are associated with the development of practical techniques of ensuring required serviceability of road pavements. The works by V.K. Apestin, M.S. Koganzon, S.V. Konovalov, Yu.M. Yakovlev, Yu.V. Kuznetsov, Yu.V. Slobodchikov and others dedicated to assessing the eff ect of strength properties, smoothness, and homogeneity of road pavements on the serviceability of roads. The construction is increasingly widespread in new underdeveloped areas of the Arctic zone, for which no experience in operating motor roads exists. Thus, many outstanding questions arise and wrong decisions are made in the course of designing. Today, regional technical conditions for typical regions of the Arctic zone of the Russian Federation need to be developed. Rated speeds and cross profi le elements should be common to these standards. Diff erences in the construction of road bed and road pavements should level the diff erence in the infl uencing climatic and natural factors. Climatic and natural factors in designing motor roads is currently taken into account by dividing the country’s territory into climatic zones for road building. This zoning is intended to refl ect geographical patterns in expanding natural factors aff ecting the value of specifi ed soil parameters necessary to design road bed. No climatic zoning exists, which would refl ect geographical patterns in change in the eff ect of climatic conditions on the serviceability of road pavements. Рост грузоподъемности автомобилей и их скоростей, высокие транспортно-эксплуатационные расходы, разрушающее влияние сурового климата требуют создания прочных дорожных одежд, улучшения транспортно-эксплуатационных качеств покрытий, увеличения срока их службы и удешевления строительства. Большой вклад в разработку теоретических основ проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог внесли исследования выдающихся ученыхдорожников МАДИ Н.Н. Иванова, В.Ф. Бабкова, В.К. Некрасова, А.П. Васильева, Е.М. Лобанова, Н.А. Пузакова, А.Я. Тулаева, Ю.М. Яковлева и др. Многие ученые подчеркивали, что эффективность работы автомобильного транспорта непосредственно зависит от качества и работоспособности дорог и их основного элемента — дорожной одежды. Эффективность же проектных решений, тех или иных строительных мероприятий определяется тем, насколько в результате увеличатся или уменьшатся работоспособность и срок службы дорожных конструкций. С разработкой практических методов обеспечения требуемой работоспособности дорожных одежд связаны теоретические и экспериментальные исследования ученых МАДИ. Оценке влияния на работоспособность дорог прочностных показателей, ровности и однородности дорожных одежд посвящены труды В.К. Апестина, М.С. Коганзона, С.В. Коновалова, Ю.М. Яковлева, Ю.В. Кузнецова, Ю.В. Слободчикова и др. Строительство все шире ведется в новых, малоосвоенных районах Арктической зоны, для которых отсутствует опыт эксплуатации автомобильных дорог. Поэтому при проектировании возникает много неясных вопросов и принимаются ошибочные решения. Сегодня требуется разработка региональных технических условий для характерных районов Арктической зоны Российской Федерации. Общими для этих норм должны быть расчетные скорости и элементы поперечного профиля. Различия в конструкции земляного полотна и дорожных одежд должны как бы выравнивать разницу во влияющих природно-климатических факторах. Учет природно-климатических факторов при проектировании автомобильных дорог осуществляется в настоящее время делением территории страны на дорожно-климатические зоны. Такое районирование призвано отразить географические закономерности в расширении природных факторов, которые влияют на величину расчетных показателей грунтов, необходимых для проектирования земляного полотна. Климатическое районирование, которое отражало бы географические закономерности в изменении влияния климатических условий на работоспособность дорожных одежд, отсутствует.
Исследования, выполненные Р.А. Пузаковым, И.А. Зо ло тарем, В.А. Давыдовым, А.А. Малышевым, Б.И. По по вым, Р.З. Порицким и др., позволили уточнить границы I дорожно-климатической зоны — зоны многолетнемерзлых горных пород (ММГП) — и разделить ее на три подзоны: северную, центральную и южную. Опыт применения существующего дорожно-климатического районирования показывает, что сегодня оно не удовлетворяет практике проектирования дорог. Дорожные одежды всех типов работают в условиях сложного напряженного состояния под действием повторных нагрузок от автомобилей и переменных температурно-влажностных полей. Кроме того, для конгломератных материалов характерны внутренние нагружения, обусловленные неоднородностью их структуры, а также постоянно протекающими процессами структурообразования и деструкции. Несмотря на важность экспериментальных работ по установлению фактических условий работы автомобильных дорог в районах с суровым климатом, количество их совершенно недостаточно. Поэтому требуется проведение широких экспериментальных исследований. Вопрос о правильности учета природно-климатических воздействий при проектировании и строительстве автомобильных дорог в районах Арктической зоны России чрезвычайно важен, так как в зависимости от этого решается обеспечение необходимой работоспособности дорожных одежд при определенной экономичности. В дорожных конструкциях под действием природноклиматических факторов протекают сложные процессы: нагревание, охлаждение, промерзание, оттаивание, испарение, конденсация, сублимация, облимация, обусловливающие колебание влажности и температуры. Изменение водно-теплового режима существенно влияет на прочность и ровность дорожной одежды, приводит к снижению транспортно-эксплуатационных показателей автомобильных дорог. Поэтому природно-климатические факторы оказывают существенное влияние на работоспособность дорожных одежд. Теоретическое определение, т.е. математический расчет надежности такой сложной системы, как дорожная одежда, с учетом вероятностной природы всех действующих факторов и параметров прочности материалов, в настоящее время осуществить с достаточной точностью невозможно. Поэтому многие исследователи работоспособность дорожной одежды оценивают приближенно на основе наиболее изученных критериев ее прочности и ровности. При изучении влияния факторов и параметров на работоспособность дорожных одежд в районах Арктической зоны России нельзя рассматривать изолированно влияние только природно-климатических факторов или только параметров механического воздействия от автомобильного движения. Необходим их комплексный учет на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Интенсивное освоение районов Арктической зоны России и вызванное этим увеличение строительства автомобильных дорог определяют необходимость учета затрат, связанных с ущербом, наносимым экологическому окружению, Research made by R.A. Puzakov, I.A. Zolotar, V.A. Davydov, A.A. Malyshev, B.I. Popov, R.Z. Poritsky and others made it possible to specify the boundaries of climatic zones for road building 1, zone of permafrost rocks, and divide it into the following three subzones: northern, central and southern ones. Experience in using existing climatic zoning for road building shows that it does not comply today with the practice of designing roads. Road pavements of all types are operated in a complex stress condition under the action of repeated loads from vehicles and variable temperature and humidity fi elds. In addition, conglomerate materials are characterized by internal loadings associated with heterogeneity of their structure, as well as permanent processes of structure formation and destruction. Despite the importance of experimental work on setting actual operating conditions of motor roads in areas with severe climate, their number is completely insuffi cient. Thus, extensive experimental research is needed. The issue of correct accounting of climatic and natural eff ects in designing and constructing motor roads in the Arctic zone of Russia is extremely important since depending on this, it is decided to ensure the required serviceability of road pavements with a certain cost eff ectiveness. Such complex processes as heating, cooling, freezing, thawing, evaporation, condensation, sublimation, and oblimation conditioning humidity and temperature fl uctuation occur in road structures under the action of climatic and natural factors. Change in water-and-thermal regime signifi cantly aff ects strength and smoothness of road pavements, leads to decreasing road service parameters of motor roads. Thus, climatic and natural factors exert a considerable impact on the serviceability of road pavements. A theoretical defi nition, i.e. a mathematical reliability calculation of such a complex system as road pavements taking into account the probabilistic nature of all operative factors and parameters of strength of materials, is now impossible to execute with suffi cient accuracy. Thus, many researchers estimate the serviceability of road pavements approximately based on the best known criteria of their strength and smoothness. In studying the infl uence of factors and parameters on the serviceability of road pavements in the Arctic zone of Russia regions, it is impossible to consider in isolation the infl uence of climatic and natural factors only or parameters of mechanical eff ect from road traffi c only. Their integrated accounting is necessary at the stages of design, construction and operation of motor roads.
An intense development of the Arctic zone of Russia regions leading to growing construction of motor roads determines the need to take into account the costs associated with damage to the environmental situation and natural resources. The whole combination of factors infl uencing the environmental situation can be divided into two groups: road and transport ones. The road factors associated with the construction of motor roads disturb the environmental balance of the region, deteriorate the external view of the areas adjacent to motor roads, disturb free draining, etc. Among the transport factors, exhaust gases are the main environmental contaminants. Research shows that vehicles are responsible for 98 percent of lead, 74 percent of hydrocarbon, 45 percent of carbon oxide emissions, etc. With the same emissions, the air pollution levels largely depends on meteorological conditions, which may contribute to either accumulating or, conversely, dispersing harmful impurities. A high frequency of calms, very light winds, and powerful inversions contributes to a weak dispersion of impurities. In the cold period of the year, the anticyclonic weather pattern prevails, in which powerful surface inversions occur. The inversion layer is similar to a dome preventing air movement. In this case, impurities emitted by motor transport do not disperse, but accumulate The atmospheric dispersive capacity may be expressed through a possible pollution level indicator (in conventional units), i.e. air pollution potential (APP). The latter is determined by a frequency of ground inversions and air blanketing (combination of calm or low wind weather and air temperature inversion). Within the territory of Russia, APP varies within quite broad ranges – 2.1...4.0. The calculation shows that the highest air pollution potential in Russia is observed in some areas of the Arctic zone. Thus, in designing and constructing motor roads, industrial facilities, and planning their development and operation in the Arctic zone of Russia, emphasis should be given to protecting atmospheric air from pollution, especially by motor transport. природным ресурсам. Всю совокупность факторов, влияющих на экологическую обстановку, можно разделить на две группы: дорожные и транспортные. Дорожные факторы, связанные со строительством автомобильных дорог, нарушают экологическое равновесие района, ухудшают внешний вид в прилегающих к автомобильной дороге зонах, нарушают естественный водоотвод и т.д.
В числе транспортных факторов выхлопные газы являются основными загрязнителями окружающей среды. Исследования показывают, что на долю транспортных средств приходится 98% выбросов свинца, 74% выбросов углеводородов, 45% выбросов оксида углерода и т.д. При одних и тех же выбросах уровень загрязнения воздуха во многом зависит от метеорологических условий, которые могут способствовать накоплению вредных примесей или, наоборот, их рассеиванию. Большая повторяемость штилей и очень слабых ветров, мощных инверсий способствует слабому рассеиванию примесей. В холодный период года господствует антициклонический режим погоды, при котором формируются мощные приземные инверсии. Слой инверсии уподобляется колпаку, препятствующему перемещению воздуха. В этом случае выбрасываемые автомобильным транспортом примеси не рассеиваются, а накапливаются. Рассеивающую способность атмосферы можно выразить через показатель возможного уровня ее загрязнения (в условных единицах) — потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА). Последний определяется повторяемостью приземных инверсий и застоев воздуха (сочетание безветренной или маловетренной погоды с инверсией температуры воздуха). На территории России ПЗА изменяется в довольно широких пределах — 2,1...4,0. Расчеты показывают, что в некоторых районах Арктической зоны наблюдается наиболее высокий на территории России потенциал загрязнения атмосферы. Поэтому при проектировании и строительстве автомобильных дорог, промышленных предприятий, планировании их развития и эксплуатации на территории Арк тической зоны России особое внимание следует уделять вопросам охраны атмосферного воздуха от загрязнения, особенно автомобильным транспортом.
Ученые МАДИ принимают участие в V Международной конференции «Арктика — шельфовые проекты и устойчивое развитие регионов» MADI scientists take part in the V International Conference Arctic shelf projects and sustainable development of regions
