773

А.Л. Исаков

Рис.2. Поперечныйпрофиль томограммы модуля упругостигрунтов насыпи

Рис.3. Томограмма поперечного профиляудельного сцеплениягрунтов насыпи

1 1

Вестник СГУПСа. Выпуск 17

Рис.4. Томограмма продольного профиляудельного сцеплениягрунтов насыпи

Рис. 5. Фрагмент объемной геомодели насыпи

1 2

А.Л. Исаков

Осевая нагрузка колесных пар подвижного состава

Рис. 6. Общийвид конечноэлементноймодели железнодорожногопути

Геомодель

Порезультатамсейсмотомографииигеодезической съемкистроитсяобъемная геомодель проблемного участка земляного полотна, дополненная указанием границ выхода коренных пород и уровня залегания грунтовых вод. Работа по построению геомодели выполняется конечноэлементным методом, где каждому элементу модели придаются свойства грунта в соответствии с данными сейсмотомографии, откорректированными по результатам контрольного бурения. На рис. 5 показан фрагмент геомодели насыпи высотой 14 м с зонами идентичности физико-механических характеристик грунта.

Компьютерный анализ

Ключевым этапом глубокой диагностики земляного полотна является компьютерный анализ обследуемого участка с использованием трехмерной математической модели (рис. 6) [2, 3], где в качестве исходных данных используется построенная на базе сейсмотомогамм геомодель. Для упрощения энергоемких вычислений иногда представляется целесообразным осевую нагрузку на рельсы в модели заменять распределенным по подошве шпал давлением так, как это показано на рис. 7. Здесь приведен упрощенный вариант распределения давления, передаваемого от железобетонной шпалы на балласт.

Разработанная математическая модель ориентирована на исследование сложных процессов и явлений, происходящих в земляном полотне при движении поезда, в зонах с существенно трехмерной картиной деформирования грунта.

В качестве иллюстрации можно привести пример расчета напряженнодеформированного состояния пути в окрестности головной части поезда как наиболее проблемной по градиенту изменения поездной нагрузки вдоль оси пути [4]. На рис. 8 показан характер деформирования грунта и балластного материала при прохождении первой секции локомотива ВЛ-15. Кроме анализа

1 3

Вестник СГУПСа. Выпуск 17

статической картины, данная расчетная схема позволяет рассмотреть так называемую квазистатику — безволновую динамику изменения напряженнодеформированного состояния грунта и балластного материала под действием поездной нагрузки. Если принять скорость движения локомотива постоянной и равной, например 80 км/ч, то, используя расчетные зависимости на рис. 8, можно путем деления линейного масштаба по оси ОХ на скорость движения локомотива Vп, получить функцию изменения вертикальных перемещений грунта от времени (t = L/Vп) при прохождении поезда (рис. 9). Тогда двойное дифференцирование полученной функции по t даст зависимость изменения вертикальных ускорений частиц грунта от времени. Здесь следует еще раз подчеркнуть, что речь идет только о низкочастотной динамике колебаний земляного полотна, вызванной чередованием нагрузок на путь при прохождении осевых пар через фиксированное поперечное сечение земляного полотна.

h, м
										L, м
										кПа
Рис. 7. Изолиниивертикальных напряженийв балластнойпризме под колесной паройпри
	равномерномраспределениинагрузки(модель Друкера—Прагера)
Расчетный участок
			ВЛ-15
						Нагрузка на ось — 245 кН
						Нагрузка на ось – 245 кН
							16,0
Вертикальныесмещения,мм
0,0
							на основной площадке
2,8							на основной площадке
							подшпалами
3,7
0,0	2,7	5,4	8,1	10,8	13,5	16,2	18,9	21,6	24,3	L,	м
	Рис. 8. Вертикальные смещения пути в окрестности головной части поезда

1 4

							А.Л. Исаков
а, м/с2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-0,2
-0,4
-0,6								t, с
0	0,14	0,26	0,38	0,50	0,62	0,74	0,87
Рис. 9. Изменение вертикальных ускоренийгрунта на основной площадкепри прохождении
		первых трех колесных пар локомотива

Uz, мм
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
-0.1	0	0.1	0.2	Ux,0.мм3

Рис.10. Траектория частиц грунта основной площадкипри прохождении первых трех колесныхпар локомотива

1 5

Вестник СГУПСа. Выпуск 17

Насыпь высотой 15 м из тугопластичных грунтов

Суглинок	102 кПа
тугопластичный

С = 20 кПа? = 150

Суглинок полутвердый

С = 25 кПа

? = 200

Рис. 11. Интенсивность сдвиговых деформаций в теле земполотна при критической поездной нагрузке

Рис. 12. Расчетныеварианты укреплениянасыпи

Построенная математическая модель позволяет увидеть еще одну ранее не исследовавшуюся особенность деформированияземляного полотна. Это траектории частиц грунта при прохождении поезда. На рис. 10 в координатах Ux — перемещения вдоль оси пути и Uz — вертикальные перемещения, показан вид траектории частицы грунта, находящейся на основной площадке земляного полотна, при прохождении локомотива (см. рис. 8).

Завершающей стадией компьютерного анализа состояния высоких насыпей является расчет поля сдвиговых деформаций грунта в теле земляного полотна. На рис. 11 приведен пример расчета насыпи на устойчивость в параметрах сдвиговых деформаций, где явственно просматривается линия скольжения вдоль правого откоса при предельно допустимой нагрузке для данной конструкции земляного полотна и заданных характеристиках грунта. Компьютерный

1 6

А.Л. Исаков

анализ можнодополнить типовым расчетом определениятрадиционного коэффициента устойчивости вдоль найденной линии скольжения.

Варианты лечения земляного полотна

По результатам компьютерной диагностики состояния земляного полотна разрабатываются мероприятия по его лечению. Все возможные варианты отрабатываются на созданной модели, и выбирается наиболее эффективный и экономически выгодный способ устранения причин «болезни» земляного полотна.

Расчетный комплекс позволяет оценивать эффект от любых мероприятий по усилению откосов и изменению свойств грунтов земляного полотна, например, вследствие осушения дренажом, напорного инъектирования, силикатизации и т.д. [5].

На рис. 12 показаны два типовых варианта усиления земляного полотна — напорное инъектирование грунта и отсыпка контрбанкета, сравнительный расчет которых может быть проведен в рамках вышеописанной математической модели с целью определения наиболее эффективного и экономичного инженерного решения при проведении работ по укреплению проблемного участка земляного полотна.

Выводы

1.Отличительные особенности предложенного метода глубокой диагностики заключаются в следующем:

• во-первых, это построение и использование объемной геомодели обследуемого участка земляного полотна с реальной разбивкой грунтового массива на отдельные зоны по физико-механическим характеристикам грунтов;

• во-вторых, использование для анализа состояния земляного полотна трехмерной математической модели с реальным распределением осевых нагрузок подвижного состава на земляное полотно;

• в-третьих, использование в математической модели деформационного подхода к прогнозированию потенциально опасных ситуаций и определению возможных поверхностей смещения грунта вдоль «слабых откосов».

2.Вышеописанная схема проведения глубокой диагностики дает возможность оценивать эксплуатационные параметры земляного полотна при высокой степени дифференцируемости свойств грунта, в отличие от использующегося в настоящее время усредненного подхода к описанию структуры тела насыпи и его основания. Детальный учет физико-механических характеристик грунтов земляного полотна в расчетных схемах по оценке его состояния ведет к снижению эксплуатационных расходов на содержание земляного полотна и является гарантией предотвращения возможных аварийных ситуаций, связанных с потерей его эксплуатационной надежности.

3.Возможность оперативного анализа эффекта от применения различных технологий и материалов при строительстве и ремонте земляного полотна определяет направление экономии материальных средств и трудовых ресурсов. Если целевой функцией при проектировании является не минимизация затрат,

аповышение безопасности движения, то и в этом случае оптимизация проектных решений может быть оперативно обеспечена путем использования предложенного подхода.

1 7

Вестник СГУПСа. Выпуск 17

Литература

1.Мальцев А.И., Канарейкин Б.А. Сейсмическая томография при исследовании грунтов земляного полотна на примере участка Московской ж.д. Орел—Липецк // Железные и автомобильные дороги в условиях Сибири. Новосибирск: СГУПС, 2006.

2.Трехмерная математическая модель деформирования земляногополотна / А.Л. Исаков, В.П. Машуков, С.П. Васильев, Д.А. Корнеев // Железные и автомобильные дороги в условиях Сибири. Новосибирск: СГУПС, 2005.

3.Исаков А.Л., Корнеев Д.А.Расчет напряженно-деформированного состояния земляного полотна при воздействии поездной нагрузки // Тр. 2-й Междунар. науч.-практ. конф. М.:

МИИТ, 2005.

4.Исаков А.Л., Машуков В.П., Корнеев Д.А. Анализ распределения напряжений и деформаций в балластной призме и земляном полотне в окрестности головной части движущегося поезда // Железные и автомобильныедороги в условиях Сибири.Новосибирск: СГУПС, 2006.

5.Исаков А.Л.,Крицкий М.Я.,Мальцев А.И. Обеспечениеэксплуатационной надежности высоких насыпейна основеих глубокойдиагностики // Тр. науч.-практ. конф. «Перспективы технического развития комплекса ОАО «РЖД» в условиях его реформирования». М., 2007.

1 8

В.И. Ядрошников, С.С. Шевчук

Ядрошников Виктор Иванович родился в 1946 г. В 1968 г.

окончил НИИЖТ по специальности «Строительство железных дорог».В 1980г. защитилкандидатскую диссертацию,в1999г. — докторскую. Профессор кафедры «Изыскания, проектирование и постройка железных и автомобильных дорог». Автор 90 публикаций.

ШевчукСергей Сергеевичродился в 1957 г. В 1980 г. окончил Новосибирскийинститутинженеровжелезнодорожноготранспорта,в 2006г. защитилкандидатскую диссертацию.Является заведующим научно-исследовательскойлабораториипоборьбесзаносамиилави- наминажелезныхиавтомобильныхдорогах.Автор27научныхпубликаций.

УДК 624.137:551.578.48

В.И. ЯДРОШНИКОВ, С.С. ШЕВЧУК

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛАВИНОЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ НОВОКУЗНЕЦК—АБАКАН

Статья посвящена проблемам защиты участков железной дороги Новокузнецк—Абакан от снежных лавин. Для решения этих проблем на дороге используются различные варианты противолавинных мероприятий. Даются характеристики и оценка работы разных типов лавинной защиты и предлагаются наиболее эффективные способы защиты железнодорожного пути от лавин.

Снежные лавины возникают при накоплении на склонах снега, который под влиянием гравитационных сил стремится сдвинуться вниз. Устойчивость снежного покрова на склонах определяется условиями его образования и взаимодействием сил, удерживающих снежный пласт от скольжения, и сил, стремящихся сдвинуть снежный пласт вниз. Устойчивость снежного слоя на склоне определяется как некоторая функция удерживающих и сдвигающих сил.

Лавины способны возникать на любом крутом склоне при снежном покрове толщиной не менее 30 см. В естественных условиях главной физической причиной схода лавин является потеря устойчивости снега на склоне. Основными видами нарушения устойчивости является сдвиг (нарушение структуры снега составляющей силы тяжести) либо просадка (сокращение толщины подстилающего слоя при его разрыхлении под воздействием таяния или сублимационного выноса веществ), статические деформации, приводящие к сходу лавин, более характерны при воздействии на снег осадков, перераспределении снега ветром и других изменениях касательных и нормальных напряжений в снегу. Даже

1 9

Вестник СГУПСа. Выпуск 17

локальная потеря устойчивости может в условиях предельного равновесия вызвать динамический процесс лавинообразования.

В таблице приведена Международная морфологическая классификация лавин, которой рекомендуется пользоваться при составлении кадастра лавиносборов и лавин.

Международная морфологическая классификация лавин

Зона	Kритерий	Альтернативные характеристики и их коды
Зарождения	А. Тип начала движения	А1. Двинулась из точки	А2. Двинулась с линии (лавина от линии,
			лавина из снежной доски)
			А3. Мягкая доска
			А4. Твердая доска
	В. Положение поверхности	В1. Внутри снежного покрова (лавина	В2. В новом снежном покрове
	скольжения (поверхность	поверхностного слоя)	В3. В старом снежном покрове
	обрушения)		В4. По грунту (лавина полной глубины)
	С. Жидкая вода в снегу	С1. Отсутствует (сухая лавина)	С2. Имеется (мокрая лавина)
Транзита	D. Форма пути	D1. Движение на ровном склоне	D2. Движение в русле (лотке)
		(неканализированная лавина,	(канализированная лавина, лотковая
		неограниченная лавина)	лавина)
	Е. Тип движения	Е1. Облако снежной пыли (пылевая	Е2. Течение вдоль поверхности грунта
		лавина)	(текучая лавина)
Отложения	F. Поверхностная шероховатость	F1. Kрупнокомковатые	F3. Окатанные комья
	отложений	(крупнокомковатые отложения)	F4. Мелкокомковатые (мелкокомковатые
		F2. Угловатые блоки	отложения)
	G. Жидкая вода в снежных	G1. Отсутствует (сухие лавинные	G2. Имеется (мокрые лавинные отложения)
	отложениях во время остановки	отложения)
	Н. Загрязнение отложений	Н1. Нет ясного загрязнения (чистая	Н3. Скальные обломки, остатки почвы
		лавина)	Н4. Ветки, деревья
		Н2. Имеется загрязнение	Н5. Обломки сооружений
		(загрязненная лавина)

По данной классификации большинство лавин на линии Новокузнецк— Абакан можно отнести к следующим видам: А4.В3.С1.D1.E2.F1.G1.H1 и

А1.В4.С1.D2.E2.F4.G1.H3.

Железнодорожная линия Новокузнецк—Абакан на рассматриваемом участке Чульжанской (бывшая Междуреченская) дистанции пути пролегает по югозападным отрогам и склонам гор Кузнецкого Алатау, входящего в состав Алтайско-Саянской горной системы и расположенного в средней части южного пояса гор территории России. Этот участок проходит долинным ходом р. Томь и является уникальным с точки зрения концентрации неблагоприятных природ- но-климатических явлений (рис. 1). На двухстах километрах железнодорожного пути сосредоточены:

—лавиноопасные места протяженностью 4700 м;

—сплыв глинистого грунта со склона (селеопасные места) — 1600 м;

—обвальные места камня со склона — 6100 м;

—размыв бермы и подмыв основания насыпи — 20 580 м.

Анализ орографии района показывает, что он является типичной лавиноопасной зоной. Склоны возвышенностей, прилегающие к долине р. Томь и использованные для трассирования дороги, имеют высоту, протяженность и углы наклонов такие, что сход лавин с них наблюдается ежегодно. На 86-м, 99-м, 130–131-м, 140–142-м км возможно несколько сходов лавин с одного лога в течение зимы.

В процессе строительства железной дороги Новокузнецк—Абакан специальные наблюдения и даже регистрация сходов лавин не производились. Систематически стали отмечаться сходы лавин со времени сдачи железнодорожной линии Новокузнецк—Абакан в постоянную эксплуатацию. Начиная с зимы

2 0