Введение к работе
7 Del,
Земляное полотно - это наиболее дефектный элемент путевого, дорожного и аэродромного хозяйств. Частичные отказы земляного полотна являются барьерными при организации движения, на ликвидацию их расходуются значительные материально-технические средства. Попытки преодолеть ситуацию и уменьшить число частичных отказов, безусловно, предпринимаются, но, как показывает практика, положение с годами и десятилетиями не меняется. Например, дефектность земляного полотна железных дорог по-прежнему остается высокой и не опускается ниже уровня 11 % от протяженности сети.
Земляное полотно подвержено воздействиям неблагоприятных природно-климатических факторов. Под их влиянием земляное полотно постепенно претерпевает изменения, приводящие к ухудшению его эксплуатационных свойств и угрозе безопасности движения.
Периодическое приведение земляного полотна в проектное положение, обеспечивающее безопасность движения, осуществляется путем отсыпки контрбанкетов, ремонта и устройства новых водоотводов, дренажей и т.д. Однако, локализовать удается лишь часть дефектов и деформаций.
Встречаются участки пути или объекты, которые, несмотря на проводимые обследования и выполняемые мероприятия по оздоровлению земляного полотна, продолжают деформироваться. Есть объекты, на которых проводят обследования и выполняют мероприятия по реконструкции многократно, но «вылечить» их так и не удается. Все это означает, что при обследовании и оценке состояния объектов не удалось выяснить истинные причины деформирования и дать им адекватное качественное и количественное описание. Т.е. используемые методы и средства не всегда позволяют достичь поставленной цели.
РОС. Нм «ПАЛЬНАЯ БИІ,...,ОТЕКА СПгтербург 200 6>к
В настоящее время теоретической основой проектирования земляного полотна служит классическая механика грунтов, которая сформировалась в первой половине 20-го столетия. Основными ее составляющими являются теория линейно-деформируемой среды и теория предельного равновесия.
Теория линейно-деформируемой среды плохо описывает реальные деформации грунтов земляного полотна, поэтому при его проектировании практически не применяется Теория предельного равновесия удовлетворительно моделирует прочность, устойчивость грунтовых сооружений и широко используется при проектировании земляного полотна Применяемая в теории предельного равновесия модель жесткопластического тела не учитывает деформации, т.е предполагается, что вплоть до момента разрушения грунт не деформируется В действительности же до момента разрушения грунтовые сооружения подвергаются значительным деформациям, появляются трешины, осадки, сдвиги и т д. Поэтому теория предельного равновесия имеет некоторые ограничения Она хорошо предсказывает устойчивость сооружений из плотных, прочных грунтов и, напротив, неудовлетворительно в деформируемых глинистых грунтах Таким образом, вся практика изысканий, проектирования, строительства и реконструкции земляного полотна опирается на теоретические основы, не отвечающие современным требованиям.
До настоящего времени применяют технологии изыскания и проектирования земляного полотна, которые большей частью сформировались в середине прошлого столетия Основными составляющими инженерно-геологических изысканий являются бурение, шурфование, отбор образцов грунта и их лабораторный анализ Перечисленные работы слабомеханизированы и имеют большую трудоемкость. Сложность выполнения буровых работ на откосах и в створе основной площадки не позволяет получить достаточное количество выработок для качественного инженерно-геологического обследования земляного полотна. И все же
главным недостатком существующей системы инженерно-геологических изысканий является то, что структура и содержание материалов инженерно-геологических изысканий определены концепцией классической механики грунтов.
Учитывая изложенное, в предлагаемой работе поставлена
цель:
во-первых, применить для моделирования работы грунта современную нелинейную механику грунтов взамен существующей классической механики грунтов;
во-вторых, усовершенствовать и создать новые технологии проведения изысканий и проектирования земляного полотна.
Для достижения поставленной цели необходимо в системной взаимосвязи решить комплекс теоретических и технологических задач.
В теоретической части работы рассмотрены следующие задачи:
1 Математическое моделирование работы земляного полотна на
основе нелинейной механики грунтов;
2 Разработка алгоритмов и программ решения задач земляного
полотна для различных начальных и граничных условий;
3. Исследование возможных ошибок вычислительного процесса при
решении задач на ЭВМ;
4. Динамика земляного полотна;
5 Экспериментальные исследования грунтов и геотекстиля для получения механических характеристик, применяемых в нелинейных моделях работы земляного полотна;
6. Решение практических задач для моделирования работы земляного полотна при различных начальных и граничных условиях (армированные насыпи, оттаивающие откосы, консолидирующиеся основания).
Переход от классической механики грунтов к задачам нелинейной механики грунтов предъявляет повышенные требования к проведению топографических и инженерно-геологических изысканий. Современное
развитие науки и техники, в особенности компьютерных технологий, позволяет существенно повысить эффективность и качество выполнения топографических и инженерно-геологических изысканий. Все это подтверждается представленными в работе технологиями.
1. САПР (система автоматизированного проектирования) земляного
полотна Несмотря на аббревиатуру, система используется не только для
оформления принятого решения и выдачи проекта, но, в первую очередь, для
всестороннего анализа состояния объекта;
2. Система автоматизированного сбора, обработки, хранения и выдачи
топографической информации;
3. Система сейсмотомографического обследования земляного
полотна,
4. Методика инженерно-геологических изысканий земляного полотна
с применением вышеперечисленных технологий
Методика исследований определилась из учета основных направлений современного научно-технического прогресса Начиная с середины прошлого столетия, «локомотивом» научно-технической революции служат компьютеры и компьютерные технологии. Теоретические вопросы моделирования работы земляного полотна решены путем интегрирования основных уравнений механики сплошных сред (уравнений сохранения) с применением вычислительной математики и ЭВМ Технологическая часть представленной работы также реализована на основе компьютерного моделирования.
Научная новизна выполненной работы заключается в том, что впервые моделирование работы земляного полотна осуществлено с позиций нелинейной механики грунтов. Теория предельного равновесия, которая является частью классической механики грунтов, рассматривает только последнюю стадию жизни сооружения в момент его разрушения. Нелинейная механика грунтов позволяет проследить деформации сооружения и его основания от начала возведения и приложения эксплуатационной нагрузки
до момента разрушения, при исчерпании несущей способности основания или сооружения. При этом в процессе моделирования возведения и нагружения сооружения учитываются различные природные факторы и конструктивные особенности сооружения, например, фильтрационная консолидация, оттаивание, увлажнение, армирование и т.д.
Практическая значимость работы заключается в том, что впервые создана система моделирования работы земляного полотна на основе нелинейной механики грунтов, включающая методику испытания материалов, алгоритмы и программы.
Алгоритмы и программы использовались при моделировании работы земляного полотна реальных объектов в сложных инженерно-геологических условиях. Например, на железнодорожной линии Ханой-Хайфонг во Вьетнаме, проходящей по илистому водонасыщенному основанию; в качестве альтернативного решения с пригрузочными бермами шириной до 75м было предложено армирование по основанию геотекстилем.
На линии Тартус-Латакия в Сирии при моделировании работы высокой насыпи (до 23 метров) на подходе к мосту через реку Снобар на консолидирующем глинистом основании, было показано, что, несмотря на большие осадки до 120см, насыпь и устой обладают достаточной устойчивостью для последующей эксплуатации.
Множество численных экспериментов было проведено при моделировании работы оттаивающих, как армированных, так и не армированных насыпей в условиях Тюменского Севера.
Новые технологии автоматизированного сбора, обработки и отображения топографической информации, методика проведения инженерно-геологических изысканий с применением сейсмотомографии, а также САПР земляного полотна успешно применялись при реконструкции земляного полотна на Красноярской и Забайкальской железных дорогах.
Новые технологии постепенно внедряются в учебный процесс, например, технология сбора и отображения топографической информации Издано методическое пособие.
Апробация работы. Основные теоретические и методические положения, а также результаты исследований докладывались и были одобрены на научно-технических конференциях и совещаниях
Одесса, «Строительство на слабых и водонасыщенных грунтах», 1975,
Владивосток, «Проблемы механики грунтов, оснований и фундаментов в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов», 1983;
Новосибирск, «Проблемы и задачи повышения качества земляного полотна при строительстве и эксплуатации ж.д в условиях севера Сибири и БАМ», 1983;
Челябинск, «Современные проблемы нелинейной механики грунтов», 1985;
Новосибирск, «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБу», 2002;
Москва, «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», 2001;
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 28-ти печатных работах, список которых приводится в конце автореферата
Объем работы - 283 страницы текста, иллюстрированного 76 графиками. Список литературы включает 192 наименования.
