Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системный обзор и оценка взаимодействия сложных технических объектов с геодинамическими процессами земной коры. сравнительный анализ и состояние вопроса.
1.1 Обоснование технологии системного подхода 15
1.2 Протяженные транспортные сооружения и особенности их расположения 19
1.3 Особенности геодинамики поверхностных слоев и характер внешних воздействий на искусственные инженерные сооружения 22
1.3.1 Модели напряжений и деформации земной коры 22
1.3.2 Структура моделей неотектонических движений 25
1.3.3 Характерные особенности геодинамических процессов 27
1.4 Характеристика сейсмической опасности Северо - Муйского тоннеля 30
1.5 Особенности построения математических моделей при сейсмических воздействиях 34
1.5.1 Характеристики сейсмических воздействий. Спектры возмущений 35
1.5.2 Представление опорной конструкции в виде твердотельной конечно-элементной модели 44
1.6 Особенности проектирования и строительства дорожных сооружений с учетом геодинамических воздействий 47
1.7 Аварии протяженных транспортных сооружений 50
1.8 Цели и задачи исследования 52
Глава 2. Обоснование и концегщия построения системы геодинамического районирования протяженнных транспортных сооружений по признакам активности неотектогенеза 56
2.1 Целесообразность геодинамического районирования трасс 57
2.2 Методы исследования неотектонических движений 59
2.2.1 Геоморфологические методы 60
2.2.2 Методы, основанные на учете и анализе геологических, гидрогеологических и гидрологических факторов 63
2.2.3 Инструментальные методы оценки пространственных параметров земной поверхности 69
2.3 Неотектогенез в оценке горно-геологической обстановки 70
2.4 Основные подходы к выбору и обоснованию структуры районирования 73
2.5 Модели геодинамического районирования участков железнодорожных магистралей 77
2.5.1 Общий анализ пересекаемых регионов 77
2.5.2 Особенности строения поверхности западной части Байкало-Амурской магистрали 81
2.5.3 Километровые неотектонические карты железнодорожных трасс 91
2.6 Выводы по главе 91
Глава 3. Исследование взаимосвязи между состоянием сооружений и современными движениями земной коры. факторный анализ 96
3.1 Анализ пространственного расположения отказов пути Транссибирской железнодорожной магистрали 97
3.1.1 Характеристика отказов пути 98
3 Л .2. Повреждения труб 102
3 Л .3 Повреждения мостов 103
3.1.4Деформации земляного полотна 107
ЗЛ.5 Дефекты верхнего строения пути 109
ЗЛ.6 Анализ расположения мест сходов поездов 111
3.2 Анализ отказов пути Байкало-Амурской магистрали 117
3.3 Временной вероятностный анализ отказов пути с учетом гелио — геофизических факторов 121
3.3.1 Анализ солнечно-земных связей и возможного влияния их на отказы пути 122
3.3.2 Исследование модуляционного эффекта солнечно-земных связей на примере временных рядов отказов пути 126
3.4 Выводы по главе 137
Глава 4. Методы определения количественных показателей движений блоков земной коры и технологии дифференцированного подхода к выбору мест расположения сложных технических систем и объектов 142
4.1 Определение вектора движений блоков земной коры относительно продольной оси трасс ПТС 143
4.2 Инструментально-измерительные методы определения смещений земной поверхности 148
4.2.1 Традиционные средства геодезии и геотехники 148
4.2.2 Спутниковая геодезия 157
4.2.3 Программно-инструментальные комплексы мониторинга тоннелей 164
4.3 Оценка геодинамической активности по деформациям искусственных сооружений 168
4.3.1 Обоснование и методика измерения деформаций сооружений 168
4.3.2 Оценка геодинамической активности по деформациям мостов участка БАМ 174
4.4 Выводы по главе 184
Глава 5. Особенности расчетов мостов с учетом геодеформационных воздействий 188
5.1 Геодеформационные воздействия и их моделирование 189
5.2 Расчет статически неопределимых мостовых конструкций с переменной высотой сечения 194
5.2.1 Общие положения 194
5.2.2 Описание метода расчета 196
5.2.3 Влияние осадок опор на работу неразрезных балок переменной высоты 208
5.3 Математическое моделирование работы мостов методом конечных элементов (МКЭ) 215
5.3.1 Применение МКЭ 215
5.3.2 Анализ напряженно-деформированного состояния мостов 222
5.4 Рекомендации по проектированию мостов в зонах активных движений земной коры 230
5.5 Выводы по главе 232
Глава 6. Методические разработки расчета тоннелей с учетом геодеформационных воздействий 234
6.1 Методы расчета обделки тоннелей и перспективы их развития 234
6.2 Виды геодеформационных воздействий и особенности их моделирования 245
6.3 Программно-вычислительный комплекс PLAXIS 3D 251
6.4.Математическое моделирование работы тоннелей в условиях геодеформационных воздействий 255
6.4.1 Описание модели 255
6.4.2 Результаты математического моделирования 260
6.5 Выводы по главе 271
Глава 7. Методология мониторинга протяженных транспортных сооружений на примере северо-муйского тоннеля 276
7.1 Цели, задачи и блок - схема мониторинга 276
7.2 Северо - Муйский тоннель - объект мониторинга 281
7.2.1 Геоинформационная модель сооружения 283
7.2.2 Мониторинг геодинамической безопасности 284
7.2.3 Геотехнический мониторинг 287
7.2.4 Диагностический прогнозно - профилактический мониторинг 290
7.3 Рекомендации по содержанию Северо-Муйского тоннеля в сложных инженерно-геологических условиях эксплуатации 297
7.4 Выводы по главе 303
Заключение 305
Библиографический список 310
- Обоснование технологии системного подхода
- Методы, основанные на учете и анализе геологических, гидрогеологических и гидрологических факторов
- Анализ солнечно-земных связей и возможного влияния их на отказы пути
- Обоснование и методика измерения деформаций сооружений
Введение к работе
Формирование материально-технической основы экономики современной России сопровождается созданием и содержанием сложных технических объектов промышленного, транспортного и социального назначения. Безопасность таких, часто уникальных по своим размерам объектов, во многом определяется и зависит от места их расположения относительно геодинамически активных структур земной коры, особенно, в зонах с активной разломной тектоникой. В отличие от точечно расположенных высотных объектов, наиболее чувствительными к геодинамическим воздействиям в таких зонах являются протяженные технические объекты, в том числе, транспортные системы и сооружения, прокладываемые через различные геоструктуры земной поверхности. Важную роль при этом играют такие объекты, как трубопроводные системы (нефте- и газопроводы), плотины, а также транспортные, к которым относятся автомобильные, железные дороги и их технические объекты. Пересекая тысячи километров России, эти сооружения выполняют свои функциональные задачи порой в сложных природных условиях, которыми, в первую очередь, отличаются регионы Сибири и Дальнего Востока. Особого внимания заслуживает регион Восточной Сибири.
Геодинамические воздействия отражают системный характер проявления активности земной коры в виде медленных направленных и циклических волновых тектонических движений, внезапных энергоемких сейсмических событий, а также экзогенных процессов. Хотя нормами предусмотрено проектирование сооружений с учетом их защиты при сейсмической геодинамике (СНиП П-7-81*), многие вопросы требуют постоянного внимания, доработки и корректировки методик расчета и проектирования. Серьезные трудности, как правило, возникают при проектировании сооружений, расположенных в зонах разломной тектоники. В этом случае геодинамические процессы сопровождаются геодеформационными воздействиями — смещениями грунтов различной
направленности. Для обеспечения безопасности и надежности технических
объектов необходимы модели и методы, оценивающие генетику развития разломов, углы их простирания относительно продольных осей трасс, прогноз активности и характер влияния геодеформационных воздействий на конструктивные элементы транспортных сооружений, технологии учета этих воздействий с целью создания необходимого эксплуатационного ресурса. Эти вопросы изучаются как на стадии проектирования и создания объектов, так и на стадии их эксплуатации, тогда для обеспечения безопасности особую значимость приобретает разработка систем мониторинга параметров внешней среды и технического объекта.
В представленной диссертации внимание концентрируется на раскрытии причинно-следственных связей механизмов формирования сложного напряженного состояния протяженных технических объектов в условиях проявления геодеформационных воздействий, что требует создания достаточно разветвленной системы моделей (от феноменологических до математических). Понимание причин, вызывающих угрозу сбоя нормальной работы объекта или его разрушения, является основой обеспечения эффективности предупредительных мероприятий.
Большая роль принадлежит информационным технологиям, использование которых придает всему комплексу упомянутых проблем необходимую системность в реальном масштабе времени. В этом плане обеспечение безопасной эксплуатации сложных технических объектов всегда сопровождается применением автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП). Решение этих проблем также невозможно без правильного представления о реальном характере функциональных нагрузок, изменении свойств материалов и конструктивных связей во времени.
В целом обеспечение безопасности конструктивно-технологических систем протяженных технических объектов представляет комплексную проблему, в которой важным является системное осмысление внутренних взаимодейст-
9 вий основных фрагментов системы и их увязки с учетом сложившихся и необходимых для нормальной деятельности системы информационных, организационно-технических связей в их современных формах практической реализации.
Цель диссертации — повышение эффективности систем обеспечения безопасности протяженных технических объектов при их проектировании и эксплуатации за счет разработки и развития научно-методологических основ и технологий выявления, оценки и учета геодеформационных воздействий.
Для достижения цели выбрано три направления:
методология и технологии выявления факторов, влияющих на безопасность протяженных технических объектов, расположенных на геодинами-чески активных структурах;
разработка и совершенствование моделей и методов оценки и учета выявленных факторов при обеспечении эксплуатационного ресурса объектов;
3) развитие системных технологий мониторинга тех же факторов, данные которого необходимы для построения прогностических моделей развития ситуаций и разработки систем поддержки производства.
Первое направление охватывает: системный анализ современных представлений о формировании земной поверхности и расположения на ней технических объектов; методологию и технологию геодинамического районирования трасс протяженных технических объектов с примерами создания геодинамических карт Транссибирской и Байкало-Амурской железнодорожных магистралей; системный анализ закономерностей расположения повреждений инженерных сооружений относительно геодинамических осложнений.
Второе направление включает: системный анализ и совершенствование способов определения количественных параметров геодеформационных воздействий; развитие методов математического моделирования работы мостов и тоннелей с учетом геодеформационных воздействий.
10 В третьем направлении развиваются технологии сбора и обработки информации с целью оценки ситуаций, прогноза их развития и управления безопасностью объекта. При этом в междисциплинарном аспекте предполагается решение ряда задач.
Разработка методов системной комплексной увязки факторов различной природы, оценки и прогноза влияния этих факторов на ситуацию, ориентированную на определение и формирование условий безопасной эксплуатации протяженных технических объектов.
Разработка методов многоуровневого моделирования и последовательного приближения к созданию системы адекватных представлений о достаточности приемлемых мер безопасной эксплуатации объектов.
Разработка научной концепции систем мониторинга геодинамической ситуации в зонах расположения искусственных инженерных сооружений и крупных объектов промышленной деятельности, транспортных систем, железнодорожных и автодорожных трасс.
Формирование методологии информационного обеспечения систем автоматического управления техническим состоянием объектов в плане научно-методической поддержки системы подготовки и принятия решений.
Разработка организационно-технических основ системы инженерно-технической поддержки необходимого уровня безопасности эксплуатации технических систем на основе оценки, прогнозирования и реализации предупредительных мер поддержания приемлемых режимов работы.
Научная новизна заключается в разработке научно-методологических основ технологий системного подхода к оценке и учету геодеформационных воздействий в зонах с активной разломной тектоникой при формировании технических решений в период проектирования, строительства и эксплуатации протяженных технических объектов, в частности, транспортных сооружений.
На защиту выносятся:
- методология геодинамического районирования протяженных техниче
ских объектов по признакам активности неотектогенеза и карты геодинамиче
ского районирования Транссибирской и Байкало-Амурской магистралей;
-модель причинно-следственной взаимосвязи развития повреждений длительно эксплуатируемых искусственных сооружений и движений земной коры, подтверждаемая картами геодинамического районирования, математическим моделированием работы сооружений с учетом геодеформационных воздействий и соответствующим развитием повреждений реальных сооружений;
-методология математического моделирования работы мостов и тоннелей с учетом геодеформационных воздействий в зонах с активной разломной тектоникой;
-закономерности изменения напряженно-деформированного состояния конструкций в результате геодеформационных воздействий, подтверждаемые данными натурных наблюдений, и рекомендации по конструктивной защите мостов, труб, тоннелей;
- система мониторинга геодинамической безопасности транспортных
сооружений, результаты мониторинга Северо-Муйского тоннеля, рекоменда
ции по его содержанию, ремонту и модернизации.
Объект исследования. Протяженные технические объекты (транспортные сооружения).
Методы исследования. В работе используются методы теории систем и прикладного системного анализа, теории вероятности и математической статистики, факторного анализа, фрактального моделирования и другие специальные методы исследования. Для численных экспериментов применяются программные комплексы «COSMOS», «NASTRAN», «MIDAS/CIVIL», «PLAXIS 3D TUNNEL», собственные программные разработки.
Достоверность материалов исследования подтверждается статистической обработкой данных о состоянии длительно эксплуатируемых искусственных сооружений на территории большой протяженности в пределах Восточной Сибири (Транссибирская — 2074 км и Байкало-Амурская — 1865 км магистрали), результатами математического моделирования и данными натурного инструментально-визуального обследования.
Практическое внедрение. Результаты работы внедрены на Красноярской и Восточно-Сибирской железных дорогах - филиалах ОАО РЖД, проектном институте Востсибтранспроект, Дирекции по строительству мостового перехода через реку Ангара в г. Иркутске. К ним относятся: геодинамические карты районирования по признакам активности неотектогенеза — показателям риска и безопасности для трасс Транссибирской и Байкало-Амурской магистралей; банк данных деформационных параметров искусственных инженерных сооружений Транссибирской и Байкало-Амурской магистралей; системы мо-ниторингов уникальных протяженных технических объектов на примере Се-веро - Муйского тоннеля, мостового перехода через реку Ангара; методика расчетов конструкций и сооружений с учетом геодеформационных воздействий; рекомендации по конструктивной защите и содержанию мостов и тоннелей, расположенных на активных геологических структурах.
Личный вклад автора состоит в постановке всех задач исследования, в сборе и обработке необходимой информации, организации проведения полевых экспериментальных работ и обработке материалов, в составлении математических моделей, в руководстве и участии при проведении всех видов мониторинга.
Апробация работы По теме диссертации опубликовано свыше 80 научных работ, в том числе 3 монографии.
1. Быкова Н.М. Неотектонические движения земной коры и деформации дорожных сооружений - Иркутск: ИрИИТ, 1998. 136 с.
2. Быкова Н.М., Шерман СИ. Северо - Муйский тоннель - из XX в XXI
век. — Новосибирск: Наука. - 2007. - 186 с.
3. Быкова Н.М. Транспортные сооружения на активных геоструктурах.
Технологии системного подхода. - Новосибирск: Наука, - 2008. - 212 с.
На предлагаемые решения получено 8 патентов на изобретения.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции (НТК) "Транспортные проблемы Сибирского региона" (Иркутск: ИрИИТ, 1995), II международной НТК «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (Москва: МИИТ, 1996), Юбилейной НТК (Новосибирск: СГУПС, 1997), международном симпозиуме «Информационное обеспечение технических и организационных систем на железнодорожном транспорте» (Москва: МАИ, 1998), международном симпозиуме «Геокриологические проблемы строительства в восточных районах России и Северного Китая» (Чита, 1998), международной НТК «Сейсмостойкость крупных транспортных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях» (Москва: ЦНИИС, 1998), IV и V Российской конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию (Сочи, 2001,2003), НТК «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири» (Иркутск, 2000), IV НТК "Безопасность движения поездов (Москва, 2003), семинарах кафедр ИрГУПС (Иркутск, 1996 - 2009), СГУПС (Новосибирск, 1998), МГУПС (Москва, 1999), С-ПГУПС (Санкт-Петербург, 1999), Всероссийском совещании по проблемам современной сейсмогеологии и геодинамики центральной и восточной Азии (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2007), Конференции по использованию ПК PLAXIS (Санкт-Петербург, 2007), НТК по проблемам безопасности критичных инфраструктур территорий и муниципальных образований (Екатеринбург, 2007), Fall Conference of the Korean Society for railway (Корея, 2007), Национальной конференции «Безопасность регионов — основа устойчивого развития» (Иркутск, 2007), Конференции «Проблемы и перспективы изысканий и проектирования строительства и эксплуатации Российских же-
14 лезных дорог» (Иркутск,2008), Innovation & Sustainability of modern Railway
Proceedings of ISMR'2008 (Китай,2008), 4-th International Symposium on
Environmental Vibration: Prediction, Monitoring and Evaluation (Китай,2009),
Всероссийском совещании «Разломообразование и сейсмичность в литосфере:
тектонофизические концепции и следствия» (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2009).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7
глав, заключения, библиографического списка. Работа содержит 353 страницы
текста, 64 рисунка, 16 таблиц, 389 наименований использованных источников.
Обоснование технологии системного подхода
В развитии системного анализа и его приложениях большую известность получили труды: Л. Берталанфи [1], Е.С. Вентцель [2], В.В. Волкова [3], Д. Клиланда, В. Кинга [4], Э.Х. Лийв [5], СП. Никанорова [6], С. Оптнер [7], Ф.И. Перегудова [8], Ф.П. Тарасенко [9], B.C. Симанкова [10], В.Н. Спицнадель [11], А.И. Уемова [12] и других. В область информационного моделирования существенный вклад внесли К. Дейт [13], Е.Ф.Коуд [14], Д. Мартин [15], П. Чен [16] , а также российские ученые: В.М. Глушков [17], В.В.Бойко [18], A.M. Вендров [19], Г.Н. Калянов [20] и др.
Сложный технический объект представляет собой комплекс взаимодействующих между собой автономных подсистем организационно — технического плана. Вместе с тем, взаимодействие подсистем объединяется общей целью - обеспечение надежного и безопасного выполнения основных функций системы, будь то перевозка грузов и пассажиров, передача энергетических ресурсов, нефтепродуктов или иная промышленно-производственная деятельность. В сложной технической системе каждая подсистема находится под влиянием как внешних факторов со стороны природной среды, так и многих других причин, которые могут нарушить ее нормальную деятельность. Отклонения в работе отдельных подсистем (или блоков системы) оказывает многостороннее воздействие на работу других подсистем. Это означает, что процесс нормального функционирования сложного технического объекта (или системы) требует соответствующего управления состоянием, что предполагает поиск рационального решения и возможностей его реализаций доступными средствами.
Отдавая должное развитию прикладных методов системного анализа, что нашло отражение в многочисленных трудах отечественных и зарубежных ученых, хотелось бы отметить, на наш взгляд, еще не достаточное внимание к объектам протяженных транспортных систем, в том числе, к проблемам железнодорожного транспорта с множеством его подземных и наземных искусственных инженерных сооружений. Даже в таком монументальном труде, как «Безопасность России», изданном под эгидой Российской Академии наук более чем в 20 томах в течение последних 10 лет, проблемы железнодорожной безопасности еще находятся в стадии разработки [21]. Создание научно-методических основ обеспечения безопасной эксплуатации объектов транспортных систем должно быть, как представляется, построено на предварительном изучении, анализе основных факторов, определяющих в целом надежность работы объектов, безопасность их эксплуатации. Сложность задачи заключается в необходимости системной увязки большого круга инженерно-технических проблем, которые связаны с учетом взаимодействия объектов с геодинамическими процессами земной поверхности, разрушением грунтовых пластов от влияния подземных вод, тектоническими подвижками, действием нагрузок от движущегося транспорта, естественным старением и деструкцией материалов, из которых состоят основные элементы объектов.
Необходимость вскрытия механизмов взаимодействия элементов такой многомерной системы, несомненно, должно быть основано на предварительной схематизации связей, упрощении представлений о свойствах тех или иных явлений, что предполагает изучение и обработку опыта, накопленного трудами нескольких поколений специалистов.
Последовательность и поэтапность изучения объектов отражается в смене моделей, привлекаемых для уточнения схем развития контролируемых процессов. Безусловно, общей тенденцией является стремление получения достаточно формализованных моделей, однако, это удается не сразу и не всегда. Моделирование отдельных фрагментов в объектах и учет взаимодействия последних являются совершенно необходимым направлением в разработке соответствующих систем обеспечения безопасности. В этом плане большую роль играют системы инженерного мониторинга, позволяющие получать необходимую информацию о различных сторонах работы объектов, параметрах их состояния, что позволяет придать всей работе направленность на формирование прогностических представлений и системы мер упреждающего характера.
В сложных системах, как уже упоминалось в [21], создаются автоматизированные многоуровневые системы управления технологическим состоянием (или процессами). Такой опыт накоплен, в частности, в работах автора диссертации по модернизации уникального инженерного сооружения - Северо - Муй-ского тоннеля [22].
Закономерным этапом в развитии системных подходов, в отношении безопасности сложных систем, становится создание соответствующей научной и информационной базы для систем подготовки и принятия решений (СППР). По-существу, для нормального управления состоянием объекта, который находится под действием большого числа факторов различной степени сложности и влияния, необходима оперативная обработка информации и выбор из системы имеющихся средств рационального минимума управления, который бы обеспечил дальнейшую возможность эффективной эксплуатации технических объектов.
Сложность выбора решения состоит не только в рациональном построении экспертной системы. Научной основой такой системы и ее методологической базы является понимание того, что безопасность закладывается на всех этапах жизни сложного технического объекта: на стадии проектирования, строительства и эксплуатации. Особую важность при этом обретают вопросы оценки роли и влияния главных внешних факторов и тех деструктивных процессов, незнание или недоучет которых могут привести к нежелательным последствиям.
Принципиальная схема технологии системного подхода к оценке и учету геодеформационных воздействий на протяженные технические объекты изображена на рис. 1.1. При создании технического объекта формируются модели системного анализа: геодинамическое районирование территорий расположения технических объектов, ретроспективный анализ отказов объектов в привязке к геодинамическим картам, определение количественных смещений земной поверхности, расчетно-конструктивные методы обеспечения эксплуатационного ресурса объектов. Задачи управления определяют направления системного синтеза: прогноз поведения объекта на основе обработки информации данных мониторинга и разработка моделей управления в виде регламента режимов эксплуатации, содержания, ремонта или реконструкции объекта. При этом критерии безопасности закладываются на всех стадиях проектирования, строительства или эксплуатации объекта.
Методы исследования неотектонических движений
Строение недр, облик земной поверхности складываются под влиянием множества эндогенных и экзогенных факторов. К настоящему времени накоплен обширный материал в различных отраслях знаний по показателям неотектонических движений [23-42, 74-91, 191-237]. В этом отношении неотектоника - междисциплинарный объект, требующий комплексного изучения. Часто ока 60 зывается, что загадочное явление с одних позиций выглядит достаточно простым и очевидным, с других — это выглядит иначе. Блок-схема геодинамического районирования трасс протяженных транспортных сооружений по признакам активности неотектогенеза приведена на рис.2Л и отражает принципиальную схему сложной системы взаимодействия факторов различной природы, выявляемых различными методами. Пунктиром показан дополнительный техногенный фактор - отказы сооружений, частота которых также может служить признаком скрытой геодинамики.
Мощность и структура четвертичных отложений. Новейшие тектонические движения, как и любой, более древний тектогенез, сопровождаются накоплением или, наоборот, денудацией отложений. Поэтому несомненный интерес представляет изучение молодых, четвертичных отложений [24, 26, 212, 238-239]. Формирование их максимально (начиная с 1.6 млн. лет тому назад) приближено к современной обстановке и происходит в настоящее время. Общая закономерность - мощность отложений отражает степень активности не-отектогенеза. В Байкальской впадине толща аллювиально - озерных четвертичных отложений достигает 400-500 м. В остальных регионах Сибири мощность их измеряется единицами или несколькими десятками метров, в основном, это аллювиальный материал. Полезно составление разрезов аллювия в долинах, пересекающих разломы. По изменению мощности осадков можно проследить опускающиеся и воздымающиеся участки. Разность мощностей будет отражать темпы подвижек. Такая информация особенно полезна при проектировании подземных сооружений — тоннелей. Важно обращать внимание на гранулометрический состав аллювия. На воздымающихся участках аллювий содержит более крупные фракции по сравнению с аналогичными осадками опускающихся участков. Однако характер зернистости осадков не следует распространять на ледниковые разновидности. Для них существуют свои закономерности. Мощность и структура отложений -индикаторов подвижек, наиболее достоверна для голоценового разреза (современного отдела четвертичной системы), который формировался после последнего оледенения (его возраст 10 000 лет). Детальное обследование четвертичных толщ показывает, что в некоторых случаях их залегание нарушается разломами. Причем системы/трещин в четвертичных толщах и в коренных породах бывают идентичными. Очевидно, что подвижки по разлому моложе возраста отложений.
Тектонический крип. Под крипом (англ. creep- ползти) понимаются различные геодинамические процессы, в том числе, явление медленных смещений крыльев разрывных нарушений [240]. Интересны работы [241], выполненные в Прибайкалье, в частности, в районе Култука и Байкальска. Смещения наблюдались по цементно-песчаным пломбам в полостях нарушений. Образование свежих трещин и микротрещин свидетельствует о реагировании пломб на деформации.
Гидрогеологические условия. В исследовании неотектонических движений неоправданно мало привлекается гидрогеология [209]. Обычно в пределах трасс протяженных транспортных сооружений детально изучена гидрогеохимическая и гидрогеотермическая обстановка и ее региональные закономерности изменений [208-209, 242-245]. На участках стабильного неотектонического режима гидрогеологическая зональность пространственно выдержана. На участках современных подвижек, благодаря раскрытому состоянию разрывных нарушений, формируются аномалии. Независимо от региона на тектонически-стабильных участках в приповерхностной части геологического разреза повсеместно распространена зона пресных гидрокарбонатных магниево-кальциевых вод:
НС03 80 - 92SQ4 5 - 15С13 - 6 04-10 Са40 - 50Mg25 - 45Nal 0 - 15К2 - 3 -где М-минерализация подземных вод в г/л, индексами ионов показано их % эквивалентное содержание. Сумма анионов и катионов принята раздельно за 100%. Здесь и далее название воды приводится от меньшего к большему содержанию основных компонентов. Градация подземных вод по минерализации имеет вид: пресные воды - минерализация до 1 г[л, соленые воды - до 36 г/л, свыше - рассолы.
На водораздельных пространствах мощность зоны пресных вод является максимальной и составляет 150-200 м. На склонах и в долинах рек - она уменьшается примерно до 80-100 м. На более глубоком уровне геологического разреза химический состав подземных вод определяется литологией и возрастом вмещающих пород. В поле распространения терригенно-карбонатных отложений палеозоя Сибирской платформы развита зона солоноватых сульфатных магниево-кальциевых вод:
S04 75 - 85НСОЛ 2 - 20С11 - 5
Д/J = 2 г 2-5 Са45 - 60Mg40 - 50Na5 - 1 OKI - 3 Верхняя граница зоны располагается на глубине 100-200 м, а нижняя погружается до 300-400 м. В приповерхностном интервале сульфатные магниево-кальциевые воды наблюдаются лишь эпизодически, причем на локальных участках. В молодых юрских терригенных отложениях Западно-Сибирской платформы и в Присаянье Сибирской платформы ниже гидрокарбонатных магниево-кальциевых вод прослеживается зона пресных и солоноватых содовых вод:
НСО380- 90С18 - 12SQ43 - 4 1-3 Na70 - 80Са20 - 25Mg8 - 1 OKI - 2 66
На Сибирской платформе, как в палеозойских, так и в юрских толщах ниже описанных вод, повсеместно распространена зона хлоридных натриевых соленых вод и рассолов:
Анализ солнечно-земных связей и возможного влияния их на отказы пути
Можно выделить три направления исследования воздействия гелиогеофи-зических факторов на Землю [301-319]: а) влияние солнечной активности на природные явления: гидрометеосферу, изменение климата и тектоническую деятельность Земли; б) воздействие на биологические системы и человека; в) воздействие на технические системы, оснащенные сложной чувствительной электроникой и автоматикой.
Одно из проявлений этой проблемы, актуальное не только в фундаментальном, но и в практическом смысле, как нам представляется, может заключаться в связи солнечной активности с тектоническими процессами на Земле. Тектонические процессы по степени активности геодинамики можно разделить на сейсмическую деятельность и тектонические подвижки, носящие плавный или пульсационный характер. За последнее время появились данные, свидетельствующие о том, что землетрясения связаны с солнечной активностью [303,309-311]. В частности, была установлена зависимость сейсмичности от фазы 11-летнего цикла Солнца [310]. Как отмечается в техническом докладе NOAA (США) Лаборатории исследования окружающей Среды: "на скорость вращения Земли может влиять солнечная активность, что в свою очередь влияет на сейсмическую активность Земли" [312]. Ввиду предполагаемой связи "солнечная активность - тектоническая активность" и возможного влияния последней на отказы ПТС, ниже приводится вероятностный анализ статистических данных по отказам пути Транссибирской магистрали.
Индексы солнечной активности формируются на основе ежедневных наблюдений Солнца во всем электромагнитном диапазоне от видимого света (фотосфера) до радиоизлучения (корона) и рентгеновского излучения (данные Геостационарных Спутников Мониторинга Среды, GOES). При исследовании солнечно - земных связей широко привлекаются ежедневные солнечные данные [320]:
1) поток солнечного радиоизлучения в разных диапазонах (F10,7; 2800 Гц); данные Доминионской радио -физической обсерватории в Канаде; данные выражены в единицах: 10"22Вт м "2Гц" ;
2) число Вольфа (W), W = 0 означает, что на Солнце не было видно пятен; W = 200 - максимальное число пятен, наблюдалось в 1957 г.;
3) площадь пятен S -исправленная площадь всех пятен в единицах - миллионных долях солнечной полусферы;
4) вспышки: полное число оптических и рентгеновских вспышек в течение суток (вспышки - внезапные взрывы большой энергии порядка сотен мегатон-ных атомных бомб, в том числе выбросы протонов);
5) фоновый поток рентгеновского излучения по данным спутников GEOS (см. индекс 1);
6) индексы геомагнитной возмущенности К и Ар; индекс К есть квазилогарифмический индекс магнитной активности за 3 часа, меняется в баллах от О (очень спокойно) до 9 ( сильно возмущено); по К-индексам рассчитывается суточный А - индекс, а усреднением по нескольким обсерваториям Земли дается планетарный Ар -индекс, индекс глобальной возмущенности;
7) среднемесячный вспышечный индекс;
8) полная радиационная энергия Солнца (светимость) Sc, начиная с 1980 г. (спутник S М М ).
Наиболее популярно число Вольфа W, предложенное швейцарским профессором Р. Вольфом в 1844 году, W = 10 g + f, где g - число групп пятен на Солнце в день наблюдения, f - число пятен в них. Учеными в различных областях отмечены корреляционные связи чисел Вольфа со многими земными явлениями. Доказаны такие связи с изменением временных рядов изотопов углерода в кольцах деревьев, колебаниями температуры воздуха и уровня Мирового океана, цикличностью северных полярных сияний, миграциями стоянок людей, с числом магнитных бурь, динамикой урожайных лет, эпидемических заболеваний и т.д. Установлены многовековые, вековые и одиннадцатилетние циклы изменения чисел Вольфа [304]. Наиболее характерные 2400 - летние, 115 - 95 125 летние и 11 - летние циклы. Вековой цикл солнечной активности отражен на
Вековой сглаженный ряд чисел Вольфа (W) XX века и ряды чисел отказов пути (N) Замечены 33 - летние солнечные циклы при изучении гидрометеорологических характеристик территории Восточной Сибири [308,315-317]. Изменения тепла и влаги в атмосфере и почве, колебания водности рек, криогенные явления, в свою очередь, сказываются на работе ПТС. Особое место в гидрометеорологических характеристиках занимает 11-летний солнечный цикл. Для 50 рек мира в годы минимума СА (солнечной активности) для всех солнечных циклов наблюдается пониженный сток, а в годы максимума - чаще повышенный. Для рек Сибири связь стока с изменением гелио- геомагнитного индекса S в пределах исходных эпох характеризуется коэффициентом корреляции 0.71- 0,86, а их обеспеченность 87-91 % [316].
Наиболее сильными космическими показателями являются 11-летние, 27 дневные солнечные факторы и так называемые "протонные" вспышки, воздействие которых на Землю не раз широко отмечалось даже в прессе [306]. Серии крупных технологических аварий, происходившие на фоне мощных всплесков солнечной активности, описаны в [318]. Наиболее сильные пертурбации магнитного поля Земли, как и повышение сейсмического воздействия, наблюдаются в минимуме гелиоактивности [319].
Методы, основанные на учете и анализе геологических, гидрогеологических и гидрологических факторов
Исследования расположения отказов железнодорожного пути (глава 3) показали, что одной из причин развития повреждений мостов, труб и насыпей в течение длительной эксплуатации часть являются геодеформационные воздействия, связанные с движениями блоков земной коры. Особо напряженные места - границы блоков земной коры, которые могут быть представлены в виде зон, испытывающих растяжение, сжатие и сдвиг. Такие зоны в литературе встречаются как зоны разломов. Специалистам известно, что реки прокладывают свой путь чаще всего по простиранию разломов. Существующие и проектируемые железные и автомобильные дороги часто пересекают водные препятствия мостовыми переходами, а высотные препятствия преодолеваются подземными сооружениями - тоннелями. При этом искусственные сооружения пересекает границы блоков земной коры, испытывая их деформации во время эксплуатации.
Мосты. Опоры мостов рассчитаны стоять не одну сотню лет, и за длительный период эксплуатации в них наблюдаются повреждения: неравномерные вертикальные и горизонтальные смещения опор, сопровождающиеся кренами - угловыми перемещениями; отрывы шкафных, передних и задних стенок устоев; образование трещин. При существенных смещениях, начинают разрушаться опорные части, происходит или зажатие балок между шкафными стенками или, наоборот, увеличение температурных зазоров больше нормативных величин. Подобные дефекты наблюдаются на сооружениях многих дорог, особенно, длительно эксплуатируемых, таких, как Транссибирская магистраль. Возникают аварийные ситуации, связанные с ограничением скоростей движения. Капитальный ремонт сооружений требует длительных перерывов поездов
- «окон». Своевременное обнаружение процесса развития деформаций позволяет наметить профилактические мероприятия по усилению пролетных строений, а также плановые ремонтные работы с целью недопущения аварийных ситуаций и экономии дорожных средств; имеется и обратная связь — по интенсивности дефектообразования в мостах можно судить о скоростях и закономерностях развития геодинамических процессов.
Методика специального обследования мостов предполагает инструментально-визуальную съемку, анализ результатов съемки с выводами о степени геодинамических процессов и разработку рекомендаций по содержанию и ремонту мостов [157]. Инструментально-измерительная съемка включает:
-геодезическую съемку моста;
-замеры расстояний (зазоров) между торцами балок смежных пролетов и между торцами балок и шкафными стенками устоев крайних пролетов;
-замеры расстояний между опорами и высоты моста от низа конструкций до земной или водной поверхности;
-контроль изменения деформаций и напряжений в конструкциях различными методами;
-визуальный осмотр состояния конструкций пролетных строений, опор и опорных частей с описанием и замером параметров дефектов.
При съемке регистрируются метеорологические параметры: температура наружного воздуха, облачность, наличие ветра и осадков.
Геодезическая съемка включает нивелирование верхней поверхности моста по правому и левому краям (по ходу километража). Рейка устанавливается: на крайних опорах - над задней гранью устоя (ЗГУ); над шкафной стенкой устоя (ШСУ); на промежуточных опорах - по краям смежных пролетных строений (рис.4.6). На пролетных строениях - в начале, в середине и конце балок или ферм. Съемка выполняется по правой и левой стороне, для больших мостов - прямым и обратным ходом.
Замеры расстояний (зазоров) между торцами балок смежных пролетов и между торцами балок и шкафными стенками устоев крайних пролетов выполняются для правых и левых балок вверху и внизу в миллиметрах. Величина температурной деформации имеет определенный расчетный диапазон в зависимости от материала, длины пролетного строения и метеорологических параметров.
Замеры расстояний между опорами выполняются лазерной или другой рулеткой с точностью до 3 мм справа и слева на уровне подферменников и, по возможности, внизу опор.
В наиболее сложных случаях может быть реализован мониторинг изменения напряженно-деформированного состояния до принятия технического решения по ремонту сооружения. Так, в случае, если балки однопролетного моста зажаты между опорами, дополнительно к вертикальному изгибу балки работают на продольное сжатие. С целью оценки величины усилия дополнительного нерасчетного обжатия и резерва несущей способности балок необходимо определить приращение деформаций и соответствующих им напряжений в конструкциях. Наиболее простым способом является определение деформаций с помощью деформометра. С этой целью устанавливаются стационарные марки на стенках (вверху и внизу) балок. Марки представляют собой отрезки медного прута диаметром 8 мм, длиной 15 мм, которые вставляются в отверстия, образованные перфоратором и забиваются «внатяг». В накерненные точки на марках устанавливается деформометр, снимаются отсчеты по индикаторам часового типа. Для учета влияния температуры на инструмент используется эталонный элемент, по которому устанавливается индикатор часового типа деформометра на начальное положение. По данным деформациям определяются напряжения. Для определения деформаций и напряжений могут быть использованы и другие методы.
Визуальный осмотр состояния конструкций пролетных строений, опор и опорных частей с описанием и замером параметров дефектов выполняется с учетом требований нормативных документов [337,338]. Обращается внимание на наличие трещин в пролетных строениях и опорах мостов, места сдавливания при зажатых балках, положение опорных частей, возможные их дефекты.
