Экспериментальные исследования теплового режима в слоях дорожного покрытия магистральных лесовозных дорог

УДК

625.852

DOI:

10.37482/0536-1036-2022-2-146-158

Аннотация

Экономическое и социальное развитие лесного комплекса страны в целом и отдельных ее регионов невозможно без постоянного усовершенствования лесовозных магистралей и поддержания требуемого уровня их технического состояния. Несмотря на то, что на строительство и ремонт лесовозных магистралей выделяются значительные средства, срок службы дорог зачастую не соответствует нормативным значениям. Причиной могут быть ошибки в проектировании, связанные с отсутствием данных по теплопроводности дорожно-строительных материалов, сезонное промерзание грунтов земляного полотна. В совокупности с неудовлетворительными грунтово-гидрологическими условиями данные факторы способствуют значительным деформациям дорожной конструкции. Одна из основных проблем дорожной отрасли в настоящее время –недостаточный учет грунтово-гидрологических условий местности: они оцениваются приближенно по топографическим картам и материалам старых документов или в лучшем случае по результатам рекогносцировочных исследований. При проектировании земляного полотна грунтово-гидрологические условия являются вторичным критерием выбора площадки проведения работ, а место прокладки трассы – первичным. Этим обусловлено то, что лесовозные трассы часто прокладывают на территории, где трудно обеспечить требуемые несущую способность и морозоустойчивость дорожных конструкций. Периодически происходящие промерзания и оттаивания дорожного полотна приводят к возникновению знакопеременных напряжений, значительно ускоряющих разрушение дорожного покрытия, а иногда и основания дороги. Цель работы – изучить механизм влияния температурного режима на дорожную конструкцию. Полевые испытания по измерению температуры в дорожной конструкции проводились в г. Перми на практически ровном асфальтированном участке. Представлены особенности процессов, протекающих в слоях дорожной конструкции лесовозных магистралей в период сезонного промерзания. Рассмотрены гипотезы о миграции влаги в сезоннопромерзающих грунтах, влиянии на данный процесс теплоемкости и теплопроводности дорожно-строительных материалов, а также методы моделирования процессов, протекающих в дорожной конструкции под влиянием природно-климатических условий. Получены значения температуры в дорожной конструкции, построены графики, показывающие среднюю температуру в дорожной конструкции в зависимости от времени года (для условий Пермского края). Глубокое понимание механизмов промерзания и оттаивания дорожного полотна позволяет избежать ошибок проектирования и связанных с ними значительных финансовых потерь при строительстве магистральных лесовозных дорог.
Финансирование: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-26-00009, https://rscf.ru/project/22-26-00009/

---

Данная статья опубликована в режиме открытого доступа и распространяется на условиях лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная (CC BY 4.0) • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов

Сведения об авторах

А.М. Боргонутдинов¹, д-р техн. наук, проф.; ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7489-791X
С.Е. Рудов², канд. техн. наук; ResearcherID: AAC-9563-2020, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9900-0929
И.В. Григорьев³, д-р техн. наук, проф.; ResearcherID: S-7085-2016, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5574-1725
Д.С. Ефимов⁴, канд. техн. наук, доц.; ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5684-9968
В.В. Швецова⁵, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: AAC-3395-2021, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8566-2326
¹Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Комсомольский просп., д. 29, г. Пермь, Россия, 614990; е-mail: burgonutdinov.albert@yandex.ru
²Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного, Тихорецкий просп., д. 3, К-64, Санкт-Петербург, Россия, 194064; e-mail: 89213093250@mail.ru
³Арктический государственный агротехнологический университет, ш. Сергеляхское, 3-й км, д. 3, г. Якутск, Россия, 677007; e-mail: silver73@inbox.ru
⁴Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт им. А.К. Кортунова, ул. Пушкинская, д. 111, г. Новочеркасск, Ростовская обл., Россия, 346428; e-mail: efimow.denis809@yandex.ru
⁵Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2-я Красноармейская ул., д. 4, Санкт-Петербург, Россия, 190005; e-mail: viktoria.shvetsova20@mail.ru

Ключевые слова

лесовозные магистрали, водно-тепловой режим, лесовозные автомобильные дороги, дорожная конструкция, сезонное промерзание, зона промерзания, источники увлажнения, миграция влаги, датчики температуры

Для цитирования

Боргонутдинов А.М., Рудов С.Е., Григорьев И.В., Ефимов Д.С., Швецова В.В. Экспериментальные исследования теплового режима в слоях дорожного покрытия магистральных лесовозных дорог // Изв. вузов. Лесн. журн. 2022. № 2. С. 146–158. DOI: 10.37482/0536-1036-2022-2-146-158

Литература

1. Ефименко С.В. Обоснование расчетных значений характеристик глинистых грунтов для проектирования дорожных одежд автомобильных дорог (на примере районов Западной Сибири): автореф. дис. … канд. техн. наук. Омск, 2006. 22 с. Efimenko S.V. Justification of the Calculated Values of the Characteristics of Clay Soils for the Design of Road Surfaces of Highways (Case Study of the Regions of Western Siberia): Cand. Eng. Sci. Diss. Abs. Omsk, 2006. 22 p.

2. Золотарь И.А. Теоретические основы применения тонкодисперсных грунтов для возведения земляного полотна автомобильных дорог в северных районах области многолетнемерзлых грунтов: моногр. М.: Транспорт, 1988. 134 с. Zolotar’ I.A. Theoretical Background of the Use of Fine Dispersed Soils for the Construction of the Roadbed in the Northern Areas of the Region of Permafrost Soils: Monograph. Moscow, Transport Publ., 1988. 134 p.

3. Иванов Д.В., Зарапин Ю.А. Методы регулирования водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития. Тамбов: ТГТУ . 2011. Вып. II. С. 255–259. Ivanov D.V., Zarapin Yu.A. Methods for Regulating the Water and Heat Regime of the Roadbed. Problems of Technogenic Safety and Sustainable Development. Tambov, TSTU Publ., 2011, iss. II, pp. 255–259.

4. Корсунский М.Б., Россовский П.Д., Волчанский Г.В. Регулирование водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог в районах сезонного промерзания // Тр. СоюзДорНИИ . 1966. Вып. 13. С. 14–28. Korsunskiy M.B., Rossovskiy P.D., Volchanskiy G.V. Regulation of the Water and Heat Regime of the Roadbed in Areas of Seasonal Freezing. Trudy SoyuzDorNII, 1966, iss. 13, pp. 14–28.

5. Кулижников А.М. Комплексное проектирование автомобильных дорог на основе пространственного моделирования (на примере Европейского Севера России): автореф. дис. … д-ра техн. наук. М., 1998. 37 с. Kulizhnikov A.M. Complex Design of Roads on the Basis of Spatial Modeling (Case Study of the European North of Russia): Dr. Eng. Sci. Diss. Abs. Moscow, 1998. 37 p.

6. Леонович И.И., Вырко Н.П. Водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог. Минск: Белорус. нац. техн. ун-т, 2013. 332 с. Leonovich I.I., Vyrko N.P. Water and Heat Regime of the Roadbed of Highways. Minsk, BNTU Publ., 2013. 332 p.

7. Пузаков Н.А. Водно-тепловой режим земляного полотна автомобильных дорог. М.: Автотрансиздат, 1960. 168 с. Puzakov N.A. Water and Heat Regime of the Roadbed of Highways. Moscow, Avtotransizdat Publ., 1960. 168 p.

8. Рудов С.Е., Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Куницкая О.А., Григорьева О.И. Особенности контактного взаимодействия трелевочной системы с мерзлым почвогрунтом // Изв. вузов. Лесн. журн. 2019. № 1. С. 106–119. Rudov S.E., Shapiro B.Ya., Grigor’ev I.V., Kunitskaya O.A., Grigor’eva O.I. Features of Contact Interaction between the Skidding System and Frozen Soils. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2019, no. 1, pp. 106–119. DOI: https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2019.1.106

9. Рудов С.Е., Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Куницкая О.А., Григорьева О.И. Исследование процесса разрушения мерзлых и оттаивающих почвогрунтов при воздействии трелевочной системы // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 2. С. 101–117. Rudov S.E., Shapiro V.Ya., Grigorev I.V., Kunitskaya O.A., Grigoreva O.I. The Study of the Destruction Process of Frozen and Thawing Soils Exposed to the Skidding System. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 2, pp. 101–117. DOI: https://doi.org/10.37482/0536-1036-2020-2-101-117

10. Сиденко В.М. Расчет и регулирование водно-теплового режима дорожных одежд и земляного полотна. М.: Автотрансиздат, 1962. 116 с. Sidenko V.M. Calculation and Regulation of the Water and Heat Regime of Road Surfaces and Roadbed. Moscow, Avtotransizdat Publ., 1962. 116 p.

11. Толстенев С.В. Развитие методов прогнозирования и регулирования водно-теплового режима земляного полотна эксплуатируемых автомобильных дорог (на примере Алтайского края): автореф. дис. … канд. техн. наук. Омск, 2002. 18 с. Tolstenev S.V.

12. Development of Methods for Forecasting and Regulating the Water and Heat Regime of the Roadbed of Operated Highways (Case Study of Altai Krai): Cand. Eng. Sci. Diss. Abs. Omsk, 2002. 18 p.

13. Ярмолинский В.А., Лопашук В.В., Лопашук А.В. Регулирование водно-теплового режима автомобильных дорог Камчатского края для повышения их надежности в процессе эксплуатации. Хабаровск: ТО ГУ, 2014. 182 с. Yarmolinsky V.A., Lopashuk V.V., Lopashuk A.V. Regulation of the Water and Heat Regime of Highways of Kamchatka Krai to Increase Their Reliability during Operation. Khabarovsk, PSU Publ., 2014. 182 p.

14. De Jong G., Kouwenhoven M., Bates J., Koster P., Verhoef E., Tavasszy L., Warffemius P. New SP-Values of Time and Reliability for Freight Transport in the Netherlands. Transport Research Part E: Logistics and Transportation Review, 2014, vol. 64, pp. 71–87. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tre.2014.01.008

15. Gates J.B., Scanlon B.R., Mu X., Zhang L. Impacts of Soil Conservation on Groundwater Recharge in the Semi-Arid Loess Plateau, Сhina. Hydrogeology Journal, 2011, vol. 19, iss. 4, art. 865. DOI: https://doi.org/10.1007/s10040-011-0716-3

16. Huo S., Jin M., Liang X., Lin D. Changes of Vertical Groundwater Recharge with Increase in Thickness of Vadose Zone Simulated by One-Dimensional Variably Saturated Flow Model. Journal of Earth Science, 2014, vol. 25, iss. 6, pp. 1043–1050. DOI: https://doi.org/10.1007/s12583-014-0486-7

17. Ibrahim M., Favreau G., Scanlon B.R., Seidel J.L., le Coz M., Demarty J., Cappelaere B. Long-Term Increase in Diffuse Groundwater Recharge Following Expansion of Rainfed Cultivation in the Sahel, West Africa. Hydrogeology Journal, 2014, vol. 22, iss. 6, pp. 1293–1305. DOI: https://doi.org/10.1007/s10040-014-1143-z

18. Kouwenhoven M., de Jong G.C., Koster P., van den Berg V.A.C., Verhoef E.T., Bates J., Warffemius P.M.J New Values of Time and Reliability in Passenger Transport in the Netherlands. Research in Transportation Economics, 2014, vol. 47, pp. 37–49. DOI: https://doi.org/10.1016/j.retrec.2014.09.017

19. Kozlov V.G., Skrypnikov A.V., Sushkov S.I., Kruchinin I.N., Grigorev I.V., Nikiforov A.A., Pilnik Y.N., Teppoev A.V., Lavrov M., Timokhova O.M. Enhancing Quality of Road Pavements through Adhesion Improvement. Journal of the Balkan Tribological Association, 2019, vol. 25, no. 3, pp. 678–694.

20. Kurtzman D., Scanlon B.R. Groundwater Recharge through Vertisols: Irrigated Cropland vs. Natural Land, Israel. Vadose Zone Journal, 2011, vol. 10, iss. 2, pp. 662–674. DOI: https://doi.org/10.2136/vzj2010.0109

21. Peer S., Koopmans C.C., Verhoef E.T. Prediction of Travel Time Variability for Cost-Benefit Analysis. Transportation Research Part A: Policy and Practice, 2012, vol. 46, iss. 1, pp. 79–90. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tra.2011.09.016