Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности периодизации развития железных дорог Китая 13
1.1. Существующая периодизация истории развития железных дорог Китая 13
1.1.1. Первый этап (1876-1911 гг.) 18
1.1.2. Второй этап (1912-1948 гг.) 25
1.1.3. Третий этап (1949-1978 гг.) 30
1.1.4. Четвертый этап (с 1979 г.) 36
1.2. Начало пятого этапа развития железных дорог Китая 40
1.3. Целостное представление периодизации развития железных дорог Китая 49
1.4. Выводы по главе 1 58
2. Особенности территориального распространения железных дорог Китая 60
2.1. Распространение железных дорог по ступенчатому районированию территории КНР 60
2.2. Факторы, влияющие на территориальное распространение железных дорог Китая 70
2.3. Роль поддерживающих и удерживающих сооружений при территориальном распространении железных дорог Китая 82
2.4. Выводы по главе 2 90
3. Развитие армогрунтовых удерживающих сооружений земляного полотна на железных дорогах Китая 92
3.1. Ход развития поддерживающих и удерживающих сооружений дорожного земляного полотна в Китае 92
3.2. Исследование армогрунтовых сооружений в мире и Китае 108
3.2.1. История развития армогрунтовых сооружений в мировой и китайской практике 108
3.2.2. Опыт применения современных приемов армирования для укрепления и инженерной защиты дорожного земляного полотна 116
3.3. Применение геосинтетических материалов в армогрунтовых сооружениях 118
3.3.1. Виды геосинтетических материалов 118
3.3.2. Исследование технических характеристик современных георешеток 121
3.4. Выводы по главе 3 129
4. Исследование современных армогрунтовых удерживающих сооружений железнодорожного земляного полотна в КНР и предложения по совершенствованию их проектирования 131
4.1. Представление современного армогрунтового удерживающего сооружения высоких насыпей с крутым откосом 131
4.2. Основные проблемы устойчивости армогрунтовых удерживающих сооружений 139
4.2.1. Основы анализа устойчивости армогрунтовых удерживающих сооружений 139
4.2.2. Основные формы и факторы, влияющие на ПГД армогрунтовых удерживающих сооружений 142
4.3. Расчеты ПГД армогрунтовых удерживающих сооружений железнодорожных высоких насыпей 154
4.3.1. Выведение расчетных формул ПГД 154
4.3.2. Мониторинг и внедрение расчетов ПГД при проектировании армогрунтовых удерживающих сооружений 164
4.4. Выводы по главе 4 167
Заключение 169
Список сокращений и условных обозначений 173
Список литературы 174
- Целостное представление периодизации развития железных дорог Китая
- Роль поддерживающих и удерживающих сооружений при территориальном распространении железных дорог Китая
- Опыт применения современных приемов армирования для укрепления и инженерной защиты дорожного земляного полотна
- Основные проблемы устойчивости армогрунтовых удерживающих сооружений
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Начиная с 1876 года, железные
дороги в Китае развиваются в изменяющихся политических, общественных,
экономических условиях, создающих для них внешнюю среду. Создание
железнодорожной сети в Китае прошло через несколько исторических
этапов, временные параметры которых и причины переходов между ними
для специфических политико-экономических и территориальных
особенностей страны недостаточно исследованы. До настоящего времени не установлены закономерности территориального распространения1 железных дорог, а также не определены основные факторы, влияющие на них.
В связи с увеличением объемов строительства железнодорожной сети КНР, возрастает доля железных дорог, расположенных в горных и густонаселенных районах. Появляется необходимость укрепления и инженерной защиты высоких насыпей с крутыми откосами. Поэтому актуальными являются вопросы исследования исторического развития и совершенствования конструкций удерживающих сооружений земляного полотна железных дорог.
Степень разработанности темы. Методологические основы изучения истории науки и техники нашли отражение в трудах В.И. Вернадского, А. А. Зворыкина, И.Я. Конфедератова, А.Ф. Кравченко, Б.И. Кудрина, О.Д. Симоненко, А.С. Фёдорова, С.В. Шухардина, J. Needham и др.
В исследованиях М.И. Воронина, М.М. Ворониной, Н.А. Зензинова, А.И. Ильина, М.А. Ковальчука, З.Л. Крейнис, П.П. Мельникова, С.П. Першина, А.А. Пиотровича, Е.А. Сотникова, В.И. Сурина, С.Л. Ширяева, Инь Те, Ли Цзюнь, Ми Жучэн, Се Бинь, Сунь Юнфу, Сунь Ятсен, Сюй Вэньшу, Тун Либэнь, Хао Ин, Цзинь Шисюань, Чжан Юйцай, K. Cantlie, M.T. Chin, P. Crush, G.B. Rea, H.L. Von Lochow и др. изложены особенности периодизации развития и территориального распространения железных дорог, их роль и значение для развития страны.
На основе исследований Филиала по железным дорогам Ассоциации профилактики бедствий Китая и Комитета по гидротехнике Китайского железнодорожного сообщества определены особенности территориального распространения железных дорог страны.
1 В работе термин «распространение» используется для обозначения процесса поступательного развития железнодорожной сети по территории Китая.
Исследованию эволюции конструкций поддерживающих и удерживающих сооружений для устойчивости земляного полотна, вопросам их проектирования и строительства посвящены работы Е.С. Ашпиза, Л.Н. Бернацкого, В.И. Грицыка, К.Д. Джоунса, А.А. Зайцева, С.А. Кудрявцева, А.В. Петряева, А.В. Ливеровского, И.В. Прокудина, Е.В. Федоренко, Т.Г. Яковлевой, А.И. Ярмолинского, Ли Гуансинь, Лю Дапэн, Не Дэлу, Ю Сяовэй, Ян Гуанцин и др.
В работах В.В. Виноградова, С.Г. Жорняк, В.В. Пупатенко, А.И. Середина, Ван Чжао, Ян Гуанцин, Ян Голинь, Ян Мин, B.R. Christopher, A.A. Sawicki и др. исследуются методы расчета поперечных горизонтальных деформаций (ПГД) в элементах армогрунтовых удерживающих сооружений, для учета которых отсутствует общий способ расчета. Результаты исследований, на наш взгляд, требуют дополнительной проработки применительно к сооружению высоких насыпей на железных дорогах КНР.
Цель работы заключается в проведении историко-технического анализа особенностей развития железных дорог Китая с воссозданием целостной исторической картины, а также в исследовании эволюции конструкций армогрунтовых удерживающих сооружений земляного полотна и выработке предложений по их совершенствованию.
Для достижения цели в исследовании были поставлены и решены следующие задачи:
сбор, систематизация и обобщение материалов, включая первоисточники, характеризующих процесс развития железных дорог Китая и армогрунтовых удерживающих сооружений земляного полотна;
исследование периодизации развития железных дорог Китая с уточнением этапов и факторов, влияющих на ее формирование;
выявление особенностей территориального распространения железных дорог Китая в процессе исторического развития;
исследование эволюции конструкций армогрунтовых удерживающих сооружений и выявление особенностей их развития на железных дорогах Китая;
выработка предложений по совершенствованию конструкций армогрунтовых удерживающих сооружений высоких насыпей.
Объектом исследования являются железные дороги Китая с 1876 г. по настоящее время.
В качестве предмета исследования рассмотрено развитие железных дорог Китая, поддерживающих и удерживающих сооружений для повышения устойчивости земляного полотна.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые:
введены в научный оборот новые, ранее не использовавшиеся документальные источники, характеризующие развитие железных дорог Китая в прошлом;
уточнена периодизация развития железных дорог в Китае в части обоснования нового - пятого этапа;
выявлены особенности территориального распространения железных дорог Китая по ступенчатому районированию территории в соответствии с уточненной периодизацией, и воссоздана целостная историческая картина развития железных дорог страны;
определены качественные изменения принципов проектирования поддерживающих и удерживающих сооружений высоких железнодорожных насыпей: переход от пассивного удержания к активному укреплению и комбинирование таких сооружений на железных дорогах Китая;
разработан способ расчета ПГД армогрунтовых удерживающих сооружений высоких железнодорожных насыпей с учетом деформации растяжения георешеток, горизонтальной деформации тела армированного грунта и ползучести георешеток.
Теоретическая и практическая значимость работы. Целостная историческая картина развития железных дорог Китая дополняет общее представление об особенностях этого процесса, сложившегося в современной историографии.
Исследование процесса перехода от пассивного удерживания к активному укреплению поддерживающих и удерживающих сооружений и выявление тенденции к комбинированию конструкций имеют определяющее значение для оценки перспектив использования их в ходе строительства железных дорог Китая.
Способ расчета ПГД был принят Первой строительной компанией (г. Пекин, КНР), входящей в «22-ое управление» группы компании «Китайское железнодорожное строительство», при проектировании армогрунтового
удерживающего сооружения высоких насыпей на параллельной линии железной дороги Ганьлун (Ганьчжоу – Лунянь).
Разработаны «Рекомендации по применению опыта расчетов ПГД для
проектирования армогрунтовых удерживающих сооружений (на примере
железнодорожных объектов КНР)». Они использованы
научно-внедренческим предприятием «ДВ-Геосинтетика» (г. Хабаровск,
РФ) при проектировании противодеформационных мероприятий для
расчётов и разработки конструкций армогрунтовых сооружений на объектах
Дальневосточной железной дороги; проектной организацией
«Строй-Импульс (ГК «МИАКОМ» г. Санкт-Петербург, РФ) при выполнении
расчетного обоснования объектов: «Разработка рациональных
конструктивных решений по усилению высокой насыпи» в г. Балашов и «Экспертиза проектного решения армогрунтовой насыпи» в г. Новосибирске.
Результаты диссертации используются в учебном процессе ДВГУПС в ходе изучения студентами курсов «История развития транспортного строительства» и «Железнодорожный путь», а также в дипломном проектировании.
Методология и методы исследования основываются на применении
междисциплинарного принципа, принципа историзма, методов исторической
периодизации, историко-системного, экспертных и количественных оценок,
ретроспективного и сравнительного анализа, метода конечных элементов,
критериев выбора лучших технических решений, расчетных и
экспериментальных данных.
Положения, выносимые на защиту.
-
Периодизация развития железных дорог Китая с выделением пятого этапа и определением признаков переходов между этапами.
-
Процесс распространения железных дорог Китая по ступенчатому районированию территории во взаимосвязи с уточненной периодизацией.
-
С развитием железных дорог на современном этапе доля высоких насыпей с крутыми откосами увеличивается в горных районах на границах между ступенями районирования, а также в густонаселенных районах, где освобождение земель требует значительных материальных затрат.
-
В ходе историко-технического анализа развития конструкций поддерживающих и удерживающих сооружений на железных дорогах Китая
выявлены следующие особенности:
переход от пассивного удерживания к активному укреплению грунтовых сооружений;
тенденция к комбинированию конструкций;
5) Способ расчета ПГД армогрунтовых удерживающих сооружений с учетом деформации растяжения георешеток, горизонтальной деформации тела армированного грунта и ползучести георешеток.
Вклад автора в науку. В работе автором уточнена периодизация развития железных дорог Китая, определены особенности распространения железных дорог по ступенчатому районированию территории во взаимосвязи с установленной периодизацией, сформулированы тенденции перехода от пассивного удерживания к активному укреплению, а также к комбинированию конструкций при возведении армогрунтовых удерживающих сооружений высоких насыпей с целью прогнозирования их внедрения на современном этапе. Автором проведены расчеты ПГД таких сооружений совместно с коллективом научно-исследовательской группы Шицзячжуанского железнодорожного университета (КНР) под руководством профессора Ян Гуанцин.
Достоверность результатов работы подтверждена данными архивных материалов, корректным применением методов сравнительного анализа, экспертных оценок, результатами сопоставления архивных карт расположения железных дорог на разных этапах и ступенчатого районирования территории, а также совпадением результатов расчета ПГД армогрунтовых удерживающих сооружений высоких насыпей и мониторинга построенных объектов.
Апробация результатов работы. Основные положения и выводы по диссертации докладывались автором на международных и российских научно-практических конференциях: «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 2011 г.), «Превентивные геотехнические меры по уменьшению природных и техногенных бедствий» (Хабаровск, 2011 г.), «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (Хабаровск, 2012 г.), «Новые идеи нового века» (Хабаровск, 2013 г.), «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 2013 г.), на семинарах кафедр
«Строительное производство» ДВГУПС (Хабаровск, 2012 г.), на заседании кафедры «Организация, технология и управление строительством» МИИТа (Москва, 2013 г.), на заседании факультета «Геотехника» Шицзячжуанского железнодорожного университета (Шицзячжуан, КНР, 2013 г.), на межвузовском семинаре ДВГУПС и ТОГУ (Хабаровск, 2013 г.), на интернет-конференции “Sworld” (Одесса, 2013 г.) и на XVI Краевом конкурсе молодых ученых и аспирантов Хабаровского края (Хабаровск, 16-17 января 2014 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах, в том числе 4 – в изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК России.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, структурированных по тематическому принципу, заключения, списка использованных источников и литературы, 8 приложений. Диссертация представлена на 209 страницах, включает в себя 17 таблиц и 57 рисунков. В библиографии насчитывается 147 наименований.
Целостное представление периодизации развития железных дорог Китая
В начале 2013 г. с применением метода экспертных оценок были установлены качественные характеристики политических, общественных, экономических и технических условий, создающих внешнюю среду для развития железных дорог. Экспертные оценки направлены на достижение следующих целей: совершенствование обзорного описания приведенных условий, определение степени совершенствования условий численными показателями, подтверждение правильности уточненной периодизации с обоснованием начала пятого этапа.
Для экспертных оценок были подготовлены специальные материалы, которые состоят из ведения, сведения об эксперте, анкеты с правилами численных оценок, короткого описания приведенных условий на всех этапах по уточненной периодизации. Условие оценивается по пятибалльной системе: 1 – очень плохо; 2 – плохо; 3 – удовлетворительно; 4 – хорошо; 5 – отлично. Материалы были разосланы всем экспертам для оценки.
В экспертных оценках участвовали 10 специалистов России (из ДВФУ, г. Владивосток, и ДВГУПС, г. Хабаровск) и 20 специалистов КНР (из Харбинского политехнического университета, г. Харбин, Шицзячжуанского железнодорожного университета, г. Шицзячжуан и Нанкинского института железнодорожных технологий, г. Нанкин). Среди экспертов 5 докторов наук, 7 кандидатов наук, 6 аспирантов, 8 магистров и 4 бакалавра. Направления научных исследований всеми экспертами связаны с развитием железных дорог Китая. Компетентность всех экспертов подтверждена.
Каждый эксперт дал свои оценки качественных характеристик приведенных условий на каждом этапе, комментарии оценок, замечания для материалов экспертных оценок, и предложения об описании некоторых условий. Все эксперты согласились с обоснованием пятого этапа и обобщением признаков переходов по уточненной периодизации развития железных дорог Китая. Из всех численных оценок отменено одно максимальное и одно минимальное число, и с применением метода средних арифметических рангов проведено усреднение остальных чисел. В результате получены средние баллы. (приложение А) [27]. Результаты экспертных оценок представлены в виде схемы для целостного представления периодизации развития железных дорог Китая (рисунок 1.8). На ней показано выделение всех этапов исторического развития железных дорог Китая, качественные характеристики приведенных условий и продвигающие факторы переходов по этапам. Иллюстрация содержит следующие компоненты:
а) на самой нижней горизонтальной плоскости четыре оси, представляющей политические, общественные, экономические и технические условия. Деление в единице балла обозначает качественные характеристики соответствующих условий;
б) вертикальная ось – ось «общая протяженность» построенных железных дорог в Китае;
в) пять кругов образуется соединением оценок приведенных условий в параллельных осях на горизонтальных плоскостях, положение которых по вертикальной оси определяется общей протяженностью построенных железных дорог в конце каждого этапа исторического развития;
г) соединительные линии между двумя соседними плоскостями представляют собой продвигающие условия перехода от одного этапа к следующему.
Степень близости к окружности представляет уровень совершенства совокупности условий. Очевидно, что приведенные условия на первом и втором этапах развития железных дорог были неблагоприятными. На третьем этапе все условия начали улучшаться. Но это был лишь переходный этап. На четвертом этапе все условия совершенствовались в определенной степени в целом, но развитие экономических и технических условий, по сравнению с политическими и общественными, заметно отстали. С 2004 г. наступило время значительного совершенствования экономических условий.
На основе этих характеристик можно выделить следующие признаки переходов по этапам:
От первого ко второму этапу – возникновение политических и общественных условий.
Были основаны Министерство транспорта и Генеральная компания китайских железных дорог в 1912 г. после образования Китайской Республики. Возникли политические и общественные условия для развития железных дорог. Но внутренняя смута и внешняя агрессия не позволили реализовать их. Были ограничены экономические и технические условия.
От второго к третьему этапу – стабилизация политических и общественных условий.
Закончились войны и в 1949 г. была создана КНР. Началось развитие страны в условиях мирного времени. Не хватало финансовых средств и технических возможностей, однако руководство КНР и КПК понимало, что строительство железных дорог является основой восстановления и подъема экономики страны. Стабилизировались политические и общественные условия для развития железных дорог. Благодаря помощи СССР в восстановлении инфраструктуры государства, экономические условия начали улучшаться, а уровень техники и технологий резко повышался.
От третьего к четвертому этапу – улучшение экономических условий в ходе стабилизации политической и общественной ситуации.
В 1978 г. вместе с Третьим пленумом КПК 11-го созыва начались китайские реформы и «эпоха открытости». Государство приступило к осуществлению последовательных реформ, направленных на переход от административной экономики централизованного планирования к социалистической рыночной экономике. В ходе стабилизации политических и общественных условиях, экономика Китая начала бурно развиваться. Быстро были улучшены экономические условия для развития железных дорог. Развитие импорта стимулировало заимствование техники и технологий. Технические условия хорошо развивались. От четвертого к пятому этапу – обеспечение благоприятных экономических условий и резкое улучшение технических условий на основе стабильной политической и общественной ситуации. 7 января 2004 года Государственный Совет КНР принципиально утвердил первый «Средне- и долгосрочный планы сети железных дорог». Руководство КНР и КПК приняло решение о развитии строительства скоростных железных дорог. Правительством и собственными коммерческими предприятиями были обеспечены колоссальные инвестиции в строительство. Также были обеспечены небывалые экономические условия для развития железных дорог, а также повышен уровень техники и технологий на основе стабильных политических и общественных условий. Развитие общества Китая, которое реализовывалось по пути от доиндустриального к индустриальному и постиндустрильному, частично отражено в истории развития железных дорог. Доиндустриальное (или Традиционное) общество является обществом с аграрным укладом, с преобладанием натурального хозяйства, сословной иерархией, малоподвижными структурами и основанными на традиции способами социокультурной регуляции. Для него характерны ручной труд, крайне низкие темпы развития производства, которое может удовлетворять потребности людей лишь на минимальном уровне. Оно крайне инерционно, поэтому маловосприимчиво к нововведениям. Поведение индивидов в таком обществе регламентируется обычаями, нормами, социальными институтами. Обычаи, нормы, институты, традиции считаются незыблемыми, не допускающими даже мысли об их изменении. Выполняя свою интегративную функцию, культура и социальные институты подавляют любое проявление свободы личности, которая является необходимым условием постепенного обновления общества.
Роль поддерживающих и удерживающих сооружений при территориальном распространении железных дорог Китая
С историко-технической точки зрения развитие техники в принципе всегда имело взаимосвязанный, системный характер, а набор вовлеченных в производство технических устройств составлял некоторую целостность. Такое видение подтверждается и теория техноценозов школы Б.И. Кудрина [39, с. 39]. Территориальное распространение железных дорог Китая по ступенчатому районированию показывает, что горные условия на границах ступеней повлияли на распространение железных дорог с одной ступени на следующую, а различные геотехнические условия на распространение железных дорог по ступеням.
Для обеспечения безопасности и бесперебойности движения поездов земляное полотно должно быть прочным и устойчивым. После ввода в эксплуатацию оно не должно иметь деформаций, в которые входят изменение формы, просадки, оползни, обвалы и т.д. [10]. С целью обеспечения устойчивости земляного полотна при его проектировании и сооружении надо учитывать свойства применяемых грунтов и местные условия, в частности: топографию, климат, возможные землетрясения и др. [9]. В процессе эксплуатации производится мониторинг состояния самого земляного полотна и сооружений при нем [144].
Обеспечение устойчивости выполняется многими способами, которые включают: уплотнение грунтов, возведение поддерживающих или удерживающих сооружений, применение специальных одежд для укрепления грунтов [50, с. 8]. На основе этих способов, очевидно, что основными задачами для обеспечения прочности и устойчивости земляного полотна железных дорог являются его укрепление и инженерная защита.
Защита земляного полотна касается неблагоприятных природных воздействий, которые включают воздействие воды, воздействие температуры и гравитационные процессы. Воздействие воды и температуры вызывается местными природно-климатическими условиями. А гравитационные процессы относятся к геологическим процессам и явлениям, которые называют инженерно-геологическими условиями.
К главным мероприятиям по защите земляного полотна от воздействий воды, температуры и гравитационных процессов относят регулирование поверхностного и подземного стока, защиту от размыва текущими водами и волноприбоем, регулирование тепловых процессов в земляном полотне и основании и регулирование гравитационных процессов на склоне (рисунок 2.10) [17, с. 361].
Для защиты земляного полотна от воздействия воды применяется ряд мер. После образования КНР в 1949 г. с целью развития сельского хозяйства и эффективного использования природных водных ресурсов было построено большое количество гидротехнических сооружений. Это значительно уменьшило влияние поверхностного стока на транспортную инфраструктуру. В горных условиях, особенно на юге КНР, осадки обильны. Часто возникают горные потоки, подъем уровня воды в долинах гор и т.д. В инфраструктурах земляного полотна спроектирован ряд мер для регулирования поверхностного потока, которые включают кавальер, кювет, нагорную канаву, забанкетную канаву, резерв, водоотводную канаву (рисунок 2.11).
Для регулирования стока подземных, в частности грунтовых вод, нарушающих стабильность подбалластной зоны и устойчивость земляного полотна, применяются дренажные устройства, которые обеспечивают понижение, перехват и отвод грунтовых вод. Кроме того, нужны дренажи для водоотведения подземного стока в подбалластной зоне выемок, нулевых мест. Они являются эффективными конструкциями для понижения и водоотведения подземного стока и предупреждения избыточного увлажнения грунтовой среды [11, с. 37-38].
На первом этапе (1876-1911 гг.) в северо-восточных районах Китая уже сформировалась определенная сеть железных дорог, которая расположена на второй и третьей ступенях. Поэтому распространение новостроек железных дорог с третьей ступени на вторую в основном пришлось в середине и на юге КНР в начале третьего этапа (1949 г.) за исключением северо-восточных районов. По сравнению с температурными условиями в России в этих районах нет больших перепадов температуры. Самая низкая температура зимой колеблется в пределах от –10С до –15С. Причем каждый год низкотемпературные погодные условия длятся не долго. Поэтому проблема мерзлоты не возникает на железных дорогах.
В поймах рек в периоды ливневых дождей при подъеме уровня и разливе рек возможны размывы, подмывы и разрушения (смывы берегов рек и пойменных насыпей). Для защиты от размывов откосов пойменных насыпей и берегов рек наряду с берегоукрепительными применяются регуляционные сооружения. В акваториях озер, водохранилищ при штормовых ветрах возникают воздействия, способные разрушить берега, на которых размещаются железнодорожный путь. Для предупреждения размывов и разрушений служат берегозащитные сооружения, к которым относятся волноотбойные, подпорно-волноотбойные стены, бальеры-волноломы, береговые оградительные дамбы (с береговыми укреплениями), буны и другие защитные волногасящие сооружения [11, с. 47-49].
Учитывая инженерно-геологические условия в горных районах, за исключением участков, где построены мосты и тоннели, на остальных участках железных дорог существует опасность воздействия геологических процессов и явлений, к которым относятся не только гравитационные процессы, также эрозия и абразия. Поэтому фактические геотехнические условия диктуют более высокие и сложные требования к защите земляного полотна [40].
К основным методам регулирования гравитационных процессов на оползнеопасных склонах относятся террасирование поверхности склона, устройство поддерживающих или удерживающих сооружений.
Опыт применения современных приемов армирования для укрепления и инженерной защиты дорожного земляного полотна
Переход от пассивного удерживания к активному укреплению уже был осуществлен с появлением анкерных удерживающих сооружений на железных дорогах КНР. Данный переход усилен при возведении армогрунтовых удерживающих сооружений для земляного полотна железных дорог, благодаря совершенствованию и внедрению современных приемов армированного грунта.
К совершенствованию современных приемов армированного грунта относятся три момента – расширение пределов применения армирования грунта, развитие производства современных геосинтетических материалов и совершенствования конструкций армогрунтовых сооружений. Принцип армирования грунта был введен в железнодорожное строительство. Например, укрепление откосов выемок с помощью забивки стержней, армирование железнодорожных насыпей с использованием геотканями или геосетками. В работах К.Д. Джоунса упоминается, что возведением армированной насыпи автодорог, заменяющей эстакаду, обеспечены высокая экономическая эффективность, возможность применения на слабых грунтах и создания связей между обеими гранями, и высокая интенсивность строительства [14, с. 16].
С развитием технологий производства геосинтетических материалов плоские георешетки стали широко применятся при усилении, реконструкции и повышении несущей способности земляного полотна железных дорог [2, 19, 32, 53]. Такие георешетки обеспечивают устойчивость земляного полотна благодаря тому, что они:
а) улучшают свойства грунтов земляного полотна;
б) повышают монолитность и устойчивость земляного полотна;
в) снижают боковое давление грунта, действующее на облицовку.
Учитывая важные функции георешеток в армогрунтовых удерживающих сооружениях, они не должны иметь никаких механических повреждений и следов химических или термических повреждений. В строительной практике России по согласованию с проектной организацией и производителем допускается использовать георешетки, которые имеют на более 0,1% дефектных связей в любом направлении, случайно распределенных по площади георешетки. Запрещено применение георешеток, в случае если дефекты сосредоточены в пределах локального участка армогрунтовых удерживающих сооружений [26].
Совершенствование конструкций армогрунтовых сооружений включает размещение георешеток и возведение облицовок, которые непосредственно выполняют функцию инженерной защиты земляного полотна от эрозийных процессов. Георешетки должны быть размещены послойно с определенным шагом в армогрунтовых удерживающих сооружениях с учетом обеспечения устойчивости земляного полотна [117]. Облицовки таких сооружений многообразны. При возведении облицовок применяются такие материалы, как кирпичная или каменная кладка, плиты и блоки из сборного железобетона, монолитный бетон и железобетон, торкретбетон, плиты и блоки из прессованного бетона, предварительно напряженный бетон, ткань, геосетки, армированный стекловолокном пластик, оцинкованная сталь и древесина. По исследованиям К.Д. Джоунса железобетонная облицовка имеет большую эффективность для инженерной защиты. Следует отметить, что железобетонная облицовка пристраивается к телу армированного грунта с определенным наклоном. При этом облицовка выполняет не только инженерную защиту, но и определенное удерживание с помощью собственного веса.
В ходе развития удерживающих сооружений применение новых материалов относится к использованию геоматериалов, в которые входят строительные материалы, выполняющие свои функции в контакте с грунтом и другими строительными материалами в геотехнике и других сферах строительства.
В настоящее время в России нет общепринятой классификации геоматериалов. По более широко распространенным классификациям, геоматериалы подразделяют на натуральные (минеральные вяжущие, биоматы), стекловолоконные (фибра, волокна, ткани, сетки), металлические (габионы, сетки) и геосинтетические, в зависимости от материалов и способов производства [49, с. 8]. Большим классом являются геосинтетические материалы, которые включают подгруппу полимерных геоматериалов. Геосинтетические полимерные материалы, изготовленные из полимеров в виде плоских форм, лент или трехмерных структур, широко применяются в строительной практике.
Основные виды геосинтетических материалов включают геотекстили, георешетки, объемные георешетки, полимерные геосетки, стеклосетки, геоматы, геомембраны, геокомпозиты, сетконы, пенополистирольные плиты. Несомненно, с развитием технологий производства в будущем появятся новые геосинтетические материалы (геосинтетики). Поэтому этот перечень геосинтетиков не может быть окончательным [26].
Геосинтетики применяются в строительстве из-за их уникальных свойств: водостойкости, биостойкости, стойкости к воздействию кислотных и щелочных сред, устойчивости к ультрафиолетовому излучению, механической стойкости, температурной стойкости, устойчивости к циклам промерзания-оттаивания и долговечности. [49, с. 6].
Георешетки характеризуются наличием у ребер вертикальной грани, позволяющей создавать высокие значения контактных напряжений. Благоприятные технические характеристики георешеток предопределяют их применение для армирования дорожного земляного полотна в настоящее время. По исходному сырью и технологиям производства, современные георешетки подразделяются на следующие виды [106]:
1) Интегральная георешетка Исходным сырьем интегральных георешеток являются полиэтилен (PE) и полипропилен (PP). Расплав из гранул полиэтилена или полипропилена, под давлением продавливается сквозь экструдер, на выходе образуя тонкие полосы. В этих полосах вырезаны равномерные отверстия. После определенного растяжения перфорированных полос образуется интегральная решетка в целом. Широко применяются одноосноориентированные (рисунок 3.9 а) и двухосноориентированные георешетки (рисунок 3.9 б).
Основные проблемы устойчивости армогрунтовых удерживающих сооружений
Незаменимой работой для подтверждения надежности любых удерживающих сооружений является анализ их устойчивости, от которого зависит проектирование. Обычно проводятся внутренний и внешний анализы устойчивости.
На основе принципа функционирования удерживающих сооружений, можно рассмотреть армированную высокую насыпь с крутым откосом как армированная подпорная стена. Внутренний анализ связан с механизмом внутреннего состояния, которое включает определение напряжений в сооружении, расположение и надежности армирующих элементов, и свойств обратной засыпки. При проектировании необходимо учитывать, что внутренний анализ существенно связан с механизмом разрушения при деформации армирующих элементов и их разрыве (рисунок 4.9 а и б), которые называются внутренним разрушением. Они возникают внутри тела армированного грунта [3, 35].
Внешний анализ охватывает все вопросы, связанные с общей устойчивостью армированной подпорной стены как целого, включая разрушение при сдвиге, наклоне с потерей несущей способности, а также образовании поверхностей скольжения, проходящих в пределах грунта, взаимодействующего с сооружением, или в пределах самого сооружения. Механизмы разрушения такого характера называются внешним разрушением (рисунок 4.9 в, г, д). Кроме того, необходимо учитывать напряжения, возникающие в армированной подпорной стене при воздействии особых внешних условий, таких как ползучесть грунта основания (рисунок 4.9 е) [14, с. 58-59] -т &А
Кроме внутренних и внешних разрушений, возможно, что возникают разрушения от ПГД армогрунтовых конструкций. В таком случае, хотя не произошла потеря устойчивости армированного сооружения как целого, из-за значительной деформации оно не сможет нормально функционировать. Механизмы разрушений появляются в виде крупной деформации облицовки подпорной стены, осадки основания и т.д. В практике строительства обычно разрушения армированных подпорных сооружений являются следствием действия смешанных видов многообразных механизмов. Причем иногда одновременно возникают различные разрушения [34].
Устойчивость армированной высокой насыпи обеспечивается использованием комбинированных удерживающих сооружений, а также повышается сложность предотвращения и решения ПГД в проектировании [116].
Имели место аварии от потери устойчивости тела подпорных стен в Китае из-за неудачного решения ПГД. Например, построенная трехъярусная армогрунтовая подпорная стена для нового водохранилища «Ушань» высотой 57 м. Через полгода после сдачи в эксплуатацию под воздействием ПГД возникли частичные обвалы. Подпорная армогрунтовая стена высотой 11 м на участке «Нин Чжэнь» государственной автодороги № 312 потеряла стабильность из-за значительных ПГД.
В связи с особыми характеристиками самих геосинтетических материалов и сложности принципа действия армированного грунта, отсутствует общепринятая расчетная база в Китае и России [18, 36, 48]. Процесс проектирования конструкций с применением свойств геоматериалов также затруднен. Актуально обобщение метода расчета ПГД для их предотвращения и решения на этапе проектирования [138]. Основные формы ПГД представлены на рисунке 4.10 [118, с. 105]: В монолитной железобетонной облицовке армогрунтовых удерживающих сооружений расположена арматурная сетка, которая может воспринимать действие изгибающей силы. Появляется тенденция вращательного движения сооружения вокруг фундамента облицовки (рисунок 4.10. а. б. в). Максимальная горизонтальная деформация облицовки возникает на высоте 0,5-0,7 Н (высота армогрунтовой подпорной стены). Предварительно-изготовленные железобетонные блоковые и обратно–завернутые гибкие облицовки не могут поддерживать действие значительной изгибающей силы. Облицовка также имеет тенденцию вращательного движения вокруг вершины стены (рисунок 4.10. г). Когда армогрунтовая подпорная стена в целом имеет большую прочность, возможно, возникает скольжение в целом по дну стены [82] (рисунок 4.10. д).
Bathurast [54] провел испытательное исследование по горизонтальной деформации двух армированных геосинтетическими материалами грунтовых удерживающих сооружений на стройке. Высота одной стены их двух составила 7,1 м. После окончания строительства спустя 9 месяцев максимальная ПГД составила более 3 см. Высота второй стены – 6,1. Из-за действия собственной массы, спустя 104 дня после окончания строительства максимальная ПГД была 2 см (рисунок 4.10. а). После заполнения грунтов спустя 54 дня на вершине стены под действием нагрузки грунтов добавилась ПГД 2 см (рисунок 4.10. г).
Djarwadj и Wong [63] провели испытательное исследование по горизонтальной деформации армированных геотекстилями удерживающих сооружений против наводнения. После окончания строительства на вершине возникла ПГД 15 см, потом еще 13 см (рисунок 4.10. а и в). Возможно, что ползучесть армирующих материалов вызвала деформацию. Спустя два года после окончания строительства ПГД облицовки в основном остановилась.
Burwash и Frost [55] исследовали ПГД на армогрунтовой подпорной стене в Канаде. Армирующими материалами являются георешетки. Заполнитель – связующие грунты. Высота стены – 9,0 м. спустя 16 месяцев после сдачи началась деформация стены. Спустя 22 месяца вертикальная осадка заполнителя достигла 90 см., ПГД облицовки – 31 см (рисунок 4.10. б). Возможно, что осадка была вызвана избыточным увлажнением из-за дождей.
В возведении развязки государственной автодороги № 312 в провинции Шаньдун КНР было построено удерживающее сооружение, армированное геолентами из полипропилена. Заполнитель – пылеватые связные грунты. Облицовка – железобетонные панели с габаритами 99,5см 59,5см 15см. В период производства работ облицовка уже начала сильно сдвигаться наружу. К концу 1992 года, ПГД стены усилилась в виде выпучивания (рисунок 4.10. г.). Максимальная ПГД стены достигла 140 см [107].
Royal Military College of Canada провел испытание армогрунтового удерживающего сооружения. Высота стены составила 3,5 м, длина – 2,4 м, ширина – 6,0 м. Заполнитель – плотные галечные грунты. Облицовка – бетонные блоки, связанные друг с другом. Армирующие материалы – высокополимерные георешетки. При укладке расстояние между соседними слоями георешеток – 0,75 м, длина каждого слоя георешетки – 3,0 м. Облицовка является монолитной, причем дно облицовки почти шарнирно укрепляется на фундаменте. При испытании была обнаружена ПГД по типу «а» на рисунке 4.11 [70].
Исследовательский институт дорог Германии строил армогрунтовое удерживающее сооружение высотой 3,6 м с применением георешетки Tensar в качестве армирующего элемента. После окончания строительства добавляли разные внешние нагрузки на вершине сооружения. При низкой нагрузке, ПГД проявились как на рисунке 4.11 а; когда нагрузка увеличилась, ПГД стали как на рисунке 4.11 г [111].
