автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Элементы теории и геотехнологические основы реконструкции земляного полотна

На правах рукописи

Кандидат технических наук Ким Анатолий Филенович

Элементы теории и геотехнологические основы . реконструкции земляного полотна

05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск 2004

Работа выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщения.

Научный консультант - доктор технических наук

Цернант Александр Альфредович

Доктор технических наук, проф. Улицкий Владимир Михайлович Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, проф. Карпущенко Николай Иванович Доктор технических наук, проф. Грицык Валерий Иванович

Ведущее предприятие - «Сибгипротранспуть» ОАО «РЖД»

Защита состоится 4 июня 2004 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 218.012.01 при Сибирском государственном университете путей сообщения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 4 мая 2004г.

Ученый секретарь

Официальные оппоненты:

г. Новосибирск.

диссертационного совета д.т.н., проф.

А.М. Попов

■20%~ V 702.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 'ПИЛЬНАЯ БИ|„..,ОТЕКА С.Петербург

гообрк

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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дано описание уравнений, при помощи которых производится моделирование работы земляного полотна.

Моделирование деформирования сплошных сред, в частности грунтов, осуществляют на основе физических законов. Эти законы подразделяются на две группы В первую группу входят физические зависимости универсального характера, справедливые для любых сред и процессов Вторая группа - определяет частные свойства рассматриваемой среды. Иначе первую группу именуют законами сохранения, вторую группу определяющими закономерностями; соответственно, уравнения, описывающие их, называют основными и определяющими.

В данной работе использованы основные уравнения в виде уравнений равновесия в форме перемещений:

(Я+в)~ +ву2и + х = о,

дх

(Л + в)~ + СЧ2у + Г = О, I.

ду

(л+с)— =

дг

где @ = —- + —— 4- —-— - объемная деформация,

дх ду дг

дх2 ду2 дгг . оператор Лапласа,

5 Ж тт

Я =--- постоянная Ламе.

Практическое моделирование работы грунтовых сооружений возможно только численными методами. Поэтому целесообразно привести основные уравнения в численной интерпретации. Для этого в данной работе принят численный метод конечных элементов (МКЭ). На рис. 1 показано уравнение равновесия в форме МКЭ и матрица связи между напряжениями и деформациями для модели Кем-Клей.

И' =

V

дР

да.

1 а?

дР

да,

дт_.

У

да.

^ _^__а?

У да.

1 1

-- +

3

дд

Р

дР 1 дд

уравнение равновесия в форме МКЭ матрица жесткости элемента

Рис. 1. Матрица связи между напряжениями и деформациями для модели Кем-Клей

Определяющих уравнений, т.е. моделей грунтов, можно привести более десятка. Как показывает практика, наиболее адекватными являются упругопластические модели. Можно сказать, что это модели, которые имеют сугубо нелинейный характер, выражающийся в том, что невозможно заведомо описать траекторию деформирования материала в точке, так как она зависит от всего предшествующего участка траектории. Все численные эксперименты выполнены с применением моделей Друкера-Прагера и Кем-Клей.

Применение ЭВМ значительно расширило границы и круг решаемых задач, но вместе с тем появилась новая проблема, связанная с получением приемлемого решения. Дело в том, что в процессе вычисления накапливаются ошибки, основными из которых являются ошибки математического моделирования, дискретизации и округления. Блок-схема ошибок приведена на рис.2.

На основе анализа ошибок вычислительного процесса даны практические рекомендации по контролю над ошибками решения.

Вторая глава посвящена динамике земляного полотна.

Работа земляного полотна по своему функциональному назначению непосредственно связана с колебаниями от динамического воздействия подвижного состава. Однако при проектировании земляного полотна динамические процессы не учитывают или учитывают весьма приближенно. Объясняется это тем, что в настоящее время нет достаточно адекватной динамической модели работы земляного полотна.

Учет динамического воздействия поездной нагрузки в работе земляного полотна является одним из важнейших направлений исследований в транспортной геомеханике. Актуальность проблемы подтверждается широким спектром работ, проводимых в этом направлении множеством научных коллективов. Исследования динамики земляного полотна проводятся во ВНИИЖТе, ЛИИЖТе, МИИТе, НИИЖТе (ныне СГУПС)и

Рис. 2. Блок-схема ошибок

других транспортных ВУЗах России. В совокупности все исследования с некоторой долей условности можно подразделить на пять направлений.

Первое направление связано с установлением динамических характеристик грунтов. В подавляющем большинстве случаев речь идет о прочностных характеристиках грунтов.

Вторым направлением, получившим широкое развитие, является экспериментальное моделирование. Причем наибольшие практические результаты были достигнуты в центробежном моделировании.

Третьим, одним из важнейших динамических исследований, является натурное наблюдение. В качестве одной из ранних работ этого направления можно назвать работу Г.Г. Коншина.

Четвергам перспективным направлением развития динамических исследований транспортных сооружений является вибродиагностика.

Пятое направление - расчеты земляного полотна с учетом динамических воздействий, наряду с натурными наблюдениями занимает особое место среди упомянутых направлений исследований.

Проведенный краткий анализ работ по динамике земляного полотна показывает:

1. Динамические процессы, протекающие в земляном полотне, являются существенным фактором накопления деформаций и их необходимо учитывать при проектировании земляного полотна.

2. В расчетах и прогнозировании динамического воздействия на сооружения не рассматривают собственно динамический процесс, а используют различные приемы учета динамического эффекта. При этом, как правило, используют всевозможные статические расчетные схемы.

3. Многообразие принципиально различающихся между собой форм и методов учета динамики свидетельствует о том, что все они исходят не из одной главной сущности динамики как волнового процесса, а основываются на эмпирическом подходе, фиксируя отдельные внешние проявления динамики.

4. Отсутствие единой концепции динамики земляного полотна,

исходящей из волновой природы всех динамических процессов, тормозит дальнейшее развитие моделирования, уверенного прогнозирования и проектирования надежного в эксплуатации земляного полотна в различных природных условиях с учетом грузонапряженности и интенсивности движения.

Далее в этой главе приводится алгоритм динамического расчета Задача моделирования напряженно-деформированного состояния насыпи земляного полотна при динамическом нагружении решается посредством уравнений движения тела с распределенной массой Уравнения движения получены из уравнений статического равновесия путем добавления в них сил инерции по принципу Даламбера

В результате проведенной работы разработан пакет программ, моделирующий волновые процессы в земляном полотне при помощи метода конечных элементов и нелинейных моделей механики грунтов

В качестве примера приводится решение задачи расчета насыпи на сейсмическое воздействие.

В третьей главе приведены экспериментальные исследования по определению параметров деформирования грунтов и геотекстилей Описание работы грунта и геотекстилей является одной из двух наиболее важных слагаемых моделирования грунтовых сооружений и именуется физической стороной задачи

На рис.3 показаны графики деформирования грунта, именуемые паспортом грунта Обычно для проведения таких испытаний используют приборы весьма сложной конструкции. Данный паспорт грунта получен на обычном стабилометре, оборудованном несложным устройством для измерения объемных деформаций.

Из представленных графиков видно, что фунт деформируется сугубо нелинейно. Известно более десятка различных моделей грунтов Наиболее

Рис. 3. Паспорт грунта. 1, 2, 3 - графики к опытам при фиксированном боковом давлении соответственно 0.06, 0.1 и 0.16 МПа. О - интенсивность напряжений, 1 - интенсивность деформаций, Р - вертикальное давление, V - изменение объема образца

СТ,Н/Ь1

Рис. 4. Аппроксимация экспериментальных данных по геотекстилю Бидим И-44. Сплошные линии - аппроксимирующие кривые, пунктирные -экспериментальные

адекватно описывают работу грунта так называемые упругопластические модели. В данной работе применяются модели Друкера-Прагера и Кем-Клей

Далее в этой же главе изложена методика испытания геотекстилей, наиболее достоверно описывающая их работу в реальных условиях. Отличительная особенность проведенных испытаний заключается в том, что они выполнены без возможности боковых перемещений образца и при задаваемом нормальном давлении. Получаемые характеристики деформирования в несколько раз отличаются от аналогичных характеристик, полученных при стандартных испытаниях.

Из рис. 4 и 5 видно, что геотекстиль при нагружении деформируется нелинейно. Поэтому в данной работе при расчете армирования используется не константа деформирования геотекстиля, а реальный график испытания геотекстиля, который аппроксимируется кривой, подбираемой по методу наименьших квадратов, см. рис.4.

В главе 4 дано описание численного алгоритма работы геотекстиля в грунтовых сооружениях по методу конечных элементов, приведены примеры армогрунтовых сооружений.

На рис. 6 и 7 показана одна из схем армирования подпорной стенки и эпюра напряжений в арматуре.

Далее в этой же главе изложены результаты численных экспериментов по моделированию устойчивости и напряженно-деформированного состояния насыпей на слабых основаниях. Для численных экспериментов выбрано четыре поперечных профиля насыпей различной высоты проектируемой линии Ханой-Хайфонг. На рис 8 показаны графики напряжений в арматуре и перемещений точек основания.

Глава 5 посвящена вопросу устойчивости оттаивающих откосов. Рассматриваемая тема весьма актуальна при возведении и эксплуатации железных дорог в суровых природно-климатических условиях Восточной

Растягивающее усилие, Н/см

1 а ^ "

1 >УА '/ 1 э 4

/ у / ^ ( '' 1 X 1 / / / / / / / / •! / /)

ем

т

01

ое

03

Относ ет-ельная деформация Рис. 5. Деформационные характеристики синтетических материалов при нагружении после предварительного растяжения' 1 - Бидим И-44; 2 - Дорнит Ф-2; 3 - поликапроамид; 4 - поликапроамид (поперек

полотна)

Рис. 6 Схема армированной подпорной стенки. Условные обозначения: Н - высота насыпи; а - глубина заделки арматуры

Рис. 7. Эпюры напряжений в арматуре. Цифры соответствуют значениям напряжений (в Н/см) в соответствующих

частях эпюр. Линией с точками показано деформированное состояние откоса подпорной стенки, здесь верхнее число - горизонтальное, а нижнее -вертикальное смещение узла сетки в см

Рис. 8. Графики напряжений в арматуре и перемещений точек основания.

Арматура Биднм И-44. Пример 3

Сибири, Забайкалья, БАМа, Тюменского Севера и других территорий страны.

Проблема несущей способности оттаивающих грунтов является достаточно сложной, поскольку требует учета во взаимосвязи ряда физических процессов, происходящих в грунтовом массиве. Наиболее значительными из них являются: теплопередача с фазовыми переходами, фильтрационная консолидация, изменение напряженно- деформированного состояния. Каждый из этих процессов может составить предмет отдельного исследования.

В начале главы дан краткий обзор работ по этой теме.

Наиболее полную постановку задачи консолидации оттаивающего грунта осуществил Корапсиоглу. В этой постановке учтены баланс тепловой

энергии, фазовые переходы, лед и изменение его количества, вязкость воды, переменность коэффициента фильтрации, тепловое расширение и ряд других факторов. Из простого перечисления учтенных параметров, многие из которых являются функциями, видно, что постановка получилась очень сложной и громоздкой. Формализованное описание постановки здесь не приводится. Всего в этой постановке восемь основных зависимостей и несколько десятков параметров. По-видимому, ввиду сложности автором приводится не решение, а только постановка и лишь для краевой задачи Поэтому после рассмотрения круга решаемых задач и анализа внешних условий, необходимо осуществить декомпозицию (расчленение) и ввести разумное упрощение.

При первом же ознакомлении с данной проблемой видно, что процессы теплопередачи и изменения напряженно-деформированного состояния массива грунта взаимодействуют между собой неравномерно. Так теплопередача и интенсивность оттаивания решающим образом влияют на напряженно-деформированное состояние массива грунта. В то же время, напряженно-деформированное состояние грунта слабо влияет на процесс теплопередачи. Поэтому будет целесообразным рассматривать процесс оттаивания с продвижением нулевой изотермы отдельно от задачи напряженно-деформированного состояния Так, как это делалось во всех упомянутых в кратком обзоре работах, кроме Корапсиоглу.

Если перед изучением напряженно-деформированного состояния массива грунта процесс теплопередачи рассматривать отдельно, то вторая часть задачи сводится к обычной задаче теории фильтрационной консолидации в современной постановке, например, так как это выполнено в работе Ю.К. Зарецкого и В В. Орехова. В этой постановке вопрос предельной несущей способности массива грунта решается при определении его напряженно-деформированного состояния.

При достаточно больших значениях коэффициента фильтрации поровая жидкость отфильтровывается, не создавая порового давления В

этом случае необходимо при расчете напряженно-деформированного состояния учитывать фильтрационные силы свободно фильтрующейся жидкости. Пример решения такой задачи показан на рис. 9.

Приведенные примеры решения задач возведения оттаивающих насыпей в районах Тюменского Севера показывают возможности моделирования с применением численных методов при прогнозировании работы грунтовых сооружений с учетом оттаивания, фильтрационных сил, армирования и других возможных факторов для проектирования грунтовых сооружений в регионах со сложными инженерно-геологическими и суровыми климатическими условиями.

В главе б описаны практические расчеты земляного полотна с применением численных методов и нелинейной механики грунтов. В начале главы дана оценка надежности численных экспериментов. На тестовом примере показана полная сходимость результатов численных экспериментов с известными замкнутыми решениями теории предельного равновесия на примере задачи Прандтля о штампе, где предельная нагрузка Р*р = (л+2)с, с -удельное сцепление.

Далее описываются случаи, когда решения по теории предельного равновесия могут давать ошибочные результаты. Неудовлетворительные результаты по теории предельного равновесия могут быть получены при неудачном выборе расчетной схемы и в сильнодеформируемых глинистых грунтах.

Во второй части главы изложено решение задачи оценки устойчивости насыпи на подходе к мосту через реку Снобар в Сирии, рис. 10, 11. В расчете учтены не только сложные напластования грунтов, но и фильтрационная консолидация грунтов.

Выполненные при принятом коэффициенте фильтрации расчеты показывают, что сооружение находится в достаточно устойчивом состоянии. Возникающее при возведении насыпи избыточное поровое давление

Угол внутреннего трения, град 30

Коэффициент фильтрации, м/сут 02

Удельное сцепление, кПа 1

Рис. 9. Расчетная схема насыпи. Заштрихованы элементы, перешедшие в пластическое состояние. Глубина оттаивания 140 см за 40 суток

х=ПК 911+5 53 Н=36 45 и R-47.Û2 м к=1/1 19=0.84<1 3

34 ¿4

ПК911+00

Рис. 10. Схема соопужения

1С988 11088 11288 |018<> 102 в*» 10389 10*89 10^8«" 10689 107 89 10889 !09В*

Рис. 11. График осадок опор моста и насыпи. Мост через реку Снобар на 72 км линии Тартус-Латакия

представляет наибольшую опасность в начальной стадии протекания фильтрационной консолидации. По мере уменьшения избыточного порового давления и стабилизации массива грунта устойчивость сооружения возрастает. Отсюда можно сделать вывод: несмотря на наблюдаемые постепенно затухающие осадки, сооружение может быть принято в постоянную эксплуатацию.

Отклонения верха устоя и опоры №2, которые были восприняты как предвестники обрушения сооружения, в действительности не представляют никакой угрозы и объясняются довольно просто Если взглянуть на конфигурацию деформированного основания на рис. 12, то можно предположить, что очертание поверхности основания после возведения сооружения приобретает чашеобразную форму, вследствие чего верх устоя и опоры №2 повернулись в сторону эпицентра осадок.

Анализ устойчивости насыпи показывает, что в сложных инженерно-геологических условиях трудно дать приемлемую оценку состояния сооружения с позиции теории предельного равновесия. С точки зрения теории предельного равновесия, деформации устоя были восприняты как потеря его устойчивости со сдвигом в основании по гипотетической поверхности скольжения. Расчеты напряженно-деформированного состояния по пакету программ, разработанных автором, показали, что, несмотря на значительные деформации основания и опор моста, в целом сооружение находится в достаточно устойчивом состоянии для последующей эксплуатации.

В седьмой главе изложено современное состояние автоматизации проектирования реконструкции железнодорожного земляного полотна, включая разработки, выполненные под руководством автора.

В начале главы дан краткий обзор развития системы автоматизированного проектирования (САПР) земляного полотна от специализированных рабочих мест АРМ до современных систем проектирования.

Рис. 12. Схема деформирования насыпи. На схеме осадки точек подошвы насыпи Б указаны в см

Под руководством автора с 1993 года ведется разработка программного обеспечения и методики автоматизированного проектирования реконструкции земляного полотна существующих железных дорог, основанная на широком применении:

- новой технологии проектно-изыскательских работ;

- современного и обновляющегося технического оснащения, включая персональные компьютеры (ПК) с развитым периферийным оборудованием;

- высокого уровня автоматизации обработки материалов изысканий, выполнения инженерных расчетов и проектирования с поиском оптимальных проектных решений.

Программное обеспечение САПР состоит из 5 основных частей (подсистем), которые осуществляют:

- сбор топографо-геодезической информации для проектирования объекта - ГЕОДЕЗИЯ;

- сбор и анализ инженерно-геологической информации - ГЕОЛОГИЯ;

- проектирование плана и профиля проектируемого пути - ПУТЬ;

- проектирование земляного полотна - ЗЕМПОЛОТНО;

26

- оформление и выпуск проектно-сметной документации -ДОКУМЕНТ.

Все программные модули работают в комплексе и на едином информационном поле. Обмен информацией между подсистемами осуществляется через дисковые файлы текстового и (М-формата. Для каждого объекта выделяется подкаталог с уникальным именем.

Система автоматизированного проектирования усиления и реконструкции существующего железнодорожного земляного полотна обеспечивает непрерывный автоматизированный процесс от изысканий до выпуска проекта Использование САПР при проектировании реальных объектов показало ее высокую эффективность.

Система постоянно совершенствуется и развивается. Программное обеспечение открыто для пополнения новыми модулями, реализующими передовые достижения науки и практики.

Основные идеи САПР реконструкции и ряд ее подсистем рекомендуется использовать при разработке программного обеспечения САПР земляного полотна новых железных дорог и вторых путей.

Несмотря на сложную структуру, программы сделаны доступными и соответствующими интересам и опыту пользователей разных уровней. Будет полезно включать знакомство с новыми технологиями изысканий и проектирования земляного полотна в учебный процесс ВУЗов для студентов соответствующих специальностей.

В восьмой главе дано описание новой технологии проведения топографо-геодезических работ, разработанной под руководством автора.

В настоящее время в системе МПС геодезические работы проводятся наземным способом с помощью теодолитов и нивелиров Технология такой наземной съемки отработана годами, но не учитывает современных требований к качеству и скорости выполнения работ

Трудозатраты традиционной технологии наземной съемки с помощью оптических приборов превышают предлагаемые в несколько раз. Дело не

только в отсутствии автоматизации полевых процессов; данные, полученные в результате съемки, не могут быть немедленно (на месте стояния) проверены на наличие случайных и систематических ошибок и обработаны современными ЭВМ. Для создания топографических карт и планов таким способом потребуется время на трудоемкие и сложные камеральные процессы. Кроме того, топографические работы наземного неавтоматизированного метода обладают низкой генерализацией рельефа, что ограничивает возможности проектировщика или строителя. Качество таких работ в большой степени зависит от профессионализма работника. Зависимость качества и точности работ от человеческого фактора существенно снижает выгодность технологии наземной топографической съемки.

Для автоматизации работ по составлению карт и планов разработана программа «ОТМ-2000», которая полностью механизирует все процессы камеральных топографических изысканий. Пример выполнения работ посредством «Ш"М-2000» дан на рис.13

Топографические данные являются неотъемлемой частью любого проекта. Без топографических материалов невозможен анализ состояния земляного полотна и принятие решения. Поэтому автоматизация топографических работ посредством «БТМ-2000» имеет решающее значение для технологического обеспечения земляного полотна на современном уровне.

В девятой главе изложена технология сейсмотомографического обследования земляного полотна. Сейсмотомография является аналогом широко известной в медицине компьютерной томографии В компьютерной томографии для просвечивания применяют рентгеновские лучи, а в сейсмотомографии для просвечивания земляного полотна - сейсмические волны.

Компьютерная томография и сейсмотомография стали возможны благодаря появлению компьютеров и компьютерных технологий. Для реализации сейсмотомографии под руководством автора была разработана программа «Сейсмотомография», рис. 14. На рис. 15 показан пример практического применения сейсмотомографии. По периметру насыпи хорошо обозначился балластный шлейф, см. сечение У8. Сейсмотомография успешно применялась при изысканиях и проектировании ряда объектов на Забайкальской и Красноярской ж.д.

В десятой главе описана предлагаемая автором методика инженерно-геологических изысканий эксплуатируемого земляного полотна.

Современная система инженерно-геологических изысканий и исследований эксплуатируемого земляного полотна не отвечает современным требованиям технического обеспечения в силу ее следующих характерных особенностей.

Трудоемкость. Информацию об инженерно-геологическом строении земляного полотна получают посредством шурфования, бурения, лабораторного анализа характеристик физических и механических свойств грунтов. Известно, что перечисленные виды работ являются достаточно трудоемкими.

Нетехнологичность. В условиях земляного полотна, в особенности на насыпях, невозможно применить мощную, производительную буровую технику. Поэтому бурение на насыпях земляного полотна производят в основном в откосных частях.

Недостаточная информативность. Общее инженерно-геологическое строение земляного полотна выстраивают по данным, полученным по вертикалям буровых скважин, шурфов. Инженерно-геологическое строение пространства между выработками, как бы, «домысливается». Как показывает практика, путем «домысливания» невозможно выстроить достоверную картину инженерно-геологического строения земляного полотна, особенно там, где отсутствуют выработки, в частности, под основной площадкой.

у ' , < // " '" '' /

Рис.14. Программный комплекс «Сейсмотомография»

H (m)

СЕЙОЮТОМОГРАФИЯ ЭЕМПОЛОТНЙ (параметра - Vb,Vs,Vs/V*)

Ст КРАХАЛ Ь- on 38km Западно-Сибирская ж дорога sdra жспееоишя - июпь Í993 а.

40. К (m)

Рис.15. Сейсмотомография земляного полотна на ст. Крахаль

В предлагаемой автором методике инженерно-геологических изысканий важное место отводится сейсмотомографии. Сейсмотомографический разрез земляного полотна дает обобщенное представление о его инженерно-геологическом строении Для идентификации и интерпретации разреза применяются традиционные технологии: бурение, гамма-нейтронный каротаж, лабораторный анализ характеристик физических свойств грунтов. При этом количество выработок сокращается в несколько раз, в результате чего резко снижается стоимость инженерно-геологических изысканий.

Одиннадцатая глава посвящена предлагаемой автором новой системе технического обеспечения земляного полотна

Земляное полотно является наиболее консервативной частью путевого хозяйства. В последние десятилетия мало, что изменилось в системе его содержания. Текущее содержание земляного полотна осуществляется в соответствии с «Инструкцией по содержанию земляного полотна железнодорожного пути» 1998 года. В Инструкции обобщен весь предыдущий опыт содержания земляного полотна, описаны все возможные его дефекты и деформации. Последовательно регламентированы действия обслуживающего персонала. Вместе с тем, Инструкция не предлагает механизмов оценки влияния на безопасность движения тех или иных явлений и процессов, не содержит конкретных технологий и методических руководств для обслуживающего персонала.

По мнению ЦП: «...несмотря на осуществляемые мероприятия, земляное полотно продолжает не соответствовать современным, а особенно, перспективным условиям эксплуатации железных дорог». В 1991 году дефектность земляного полотна составляла 12.8%. К 1999 году дефектность из-за уменьшения интенсивности движения снизилась до 11.1%. Такой уровень дефектности считается недопустимым, так как создает сбои в движении и влечет за собой большие материальные издержки

Для определения путей выхода из создавшегося положения, в первую очередь, необходимо выявить обстоятельства, обусловливающие неудовлетворительное содержание земляного полотна. По материалам данной работы основные причины высокой дефектности земляного полотна можно сформулировать следующим образом:

1. Сложные инженерно-геологические и суровые климатические условия, плюс динамика.

2. Многофакторность и недостаточная изученность процессов, происходящих в земляном полотне.

3. Недостаточная научно-техническая и технологическая обеспеченность принятия решения.

В предлагаемой новой системе содержания земляного полотна предусматривается сбор исходной информации для оценки состояния эксплуатируемого земляного полотна. Разработанные под руководством автора эффективные компьютеризированные технологии сбора и обработки топографической и инженерно-геологической информации позволяют выполнить это при вполне приемлемых затратах. Для анализа полученной информации разработаны алгоритмы и программы моделирования работы земляного полотна при различных исходных данных и начальных условиях. Для обработки информации и оформления проектных решений разработан САПР земляного полотна.

Сведения о технических средствах и технологиях поэлементно приведены в соответствующих главах работы. Для того чтобы пояснить, как все элементы вместе взятые представляют новую систему технического обеспечения, по-видимому, требуется дать общую схему ее функционирования для обеспечения бесперебойной работы земляного полотна. На рис. 16 приведена информационная блок-схема функционирования новой системы для технического обеспечения земляного полотна. В качестве примера на рис. 17 приводится одно из меню.

На схеме рис.16 выделены наиболее значимые блоки. Функциональное назначение и содержание каждого блока состоит в следующем.

I

В производство

Рис 16. Информационная схема технического обеспечения

земляного полотна

В первом блоке содержатся архивные материалы, состоящие из сведений по ГГУ-9, актов осмотров, проектов, а также из данных, которые передаются в архив с течением времени из блоков 2 и 4.

Во втором блоке содержатся материалы выполнения инженерно-геологических исследований. Технология выполнения инженерно-геологических работ приводится в главах 9 и 10. Технология выполнения топографических работ дана в главе 8 Упомянутые технологии максимально компьютеризированы и используют новейшие достижения науки и техники, что позволяет повысить производительность выполнения инженерно-

ПЬК-ЧОТЙ vriaeKfe

геологических и топографических работ в несколько раз относительно применяемых в настоящее время при проектировании реконструкции земляного полотна. Высокая производительность новых технологий позволяет ориентироваться на выполнение большего объема работ. В результате стало возможным проведение инженерно-геологических работ в пределах перегона, дистанции и т. д., а топографических работ в пределах дистанции и более с получением цифрового плана полосы отвода высокого качества.

В третьем блоке фиксируется текущая информация по эксплуатации земляного полотна: предупреждения, сведения по мероприятиям, исполнительные съемки и др.

Четвертый блок - база данных является, по сути, ядром новой системы содержания земляного полотна. В базе данных в современных форматах хранится большой объем разнообразной информации. Доступ к информации осуществляется системой удобных интерфейсов. В действительности блоки 1, 2 и 3 являются составными частями базы данных. На схеме они выделены в отдельные блоки для лучшего представления структуры информации.

Пятый блок - анализ, выполняемый для оценки ситуации и состояния земляного полотна. Для этого предусмотрен комплекс сервисных программ, а при необходимости может использоваться САПР, см. главу 7, например, для расчетов устойчивости земляного полотна, построения продольного профиля, предполагаемого водоотвода и т.д. Сервисные программы могут представить в наглядном графическом виде запрашиваемую информацию, выполнить классификацию дефектов и деформаций на заданном участке и т.Д

В шестом блоке содержатся средства для принятия решения. При необходимости, с использованием САПР по имеющимся в базе данных материалам могут выдаваться проектные решения по отсыпке контрбанкетов, устройству водоотводов и другим мероприятиям

Новая система технического обеспечения земляного полотна является основой для резкого сокращения издержек в организации движения и создает условия, при которых ситуация с земляным полотном будет всегда под контролем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с поставленной целью представленная работа состоит из двух частей, а именно, из теоретической и технологической.

В теоретической часта автором впервые для моделирования работы земляного полотна осуществлен переход от классической механики грунтов, основными составляющими которой являются теория линейно-деформируемой среды и теория предельного равновесия, к современной нелинейной механике грунтов

В технологической части работы автором на основе достижений науки и техники, в особенности современных информационных технологий, разработаны новые технологии выполнения топографических и инженерно-геологических изысканий, а также лабораторных испытаний материалов

По итогам выполненной работы получены следующие основные результаты:

1 Создана математическая система моделирования работы земляного полотна с применением нелинейной механики грунтов и численных методов.

2. Разработаны алгоритмы и программы расчета насыпей для различных схем и начальных условий, оттаивающих насыпей, консолидирующих оснований, армирования и т.д.

3 Исследованы возможные ошибки вычислительного процесса при решении задач земляного полотна, даны практические рекомендации по ограничению их влияния на результаты расчета.

4 Приведен алгоритм решения задач динамики земляного полотна Дан пример решения задачи сейсмического воздействия на земляное полотно.

5. Выполнены экспериментальные и теоретические исследования армирующих элементов для расчета и проектирования армогрунтовых конструкций

6 Разработана технология сбора, обработки, хранения и выдачи топографической информации Применение предлагаемого метода топографических изысканий повышает качество выполнения работ и позволяет увеличить их производительность в несколько раз.

7. Разработана технология ' сейсмотомографического обследования земляного полотна. Выполнение инженерно-геологических изысканий с применением сейсмотомографии повышает достоверность получаемых результатов при увеличении производительности работ в несколько раз.

8. Разработана САПР земляного полотна, ориентированная на анализ состояния земляного полотна и выдачу проектного решения.

9. На основе разработанной системы моделирования работы и новых технологий технического обеспечения земляного полотна даны рекомендации по эффективному содержанию земляного полотна

10. Отдельные разработки представленной диссертационной работы внедряются в учебный процесс, издано учебное пособие.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1 Земполотно Теоретические основы технического обеспечения Монография - Новосибирск: Изд. СГУПСа, 2002. - 160 с.

2. Земполотно. Новые технологии технического обеспечения. Монография - Новосибирск Изд. СГУПСа, 2002 - 128 с.

3 Способ геоэлектроразведки. Патент на изобретение №2174243,

2001.

4. Гидравлическое ударное устройство. Патент на изобретение №2184847 (В соавторстве с Ю.А.Поповым), 2002

5 Пакет программ расчета напряженно-деформированного состояния насыпи методом конечных элементов. Алгоритмы и программы Информационный бюллетень - 1983. - №6. - 51 с. (В соавторстве с

А А Цернантом, Т К Курманбаевым, С. Гайназаровым, Т. Бурибековым).

6 Пакет программ расчета устойчивости и напряженно-деформированного состояния насыпей на слабых основаниях методом конечных элементов Алгоритмы и программы. Информационный бюллетень - 1986. - 17 с (В соавторстве с A.A. Цернантом,

Г Г Щурковым, Т Бурибековым).

7 Пакет программ расчета напряженно-деформированного состояния фунтовых плотин методом конечных элементов Алгоритмы и программы. Информационный бюллетень - 1986. - 18 с (В соавторстве с A.A. Цернантом, Г Г. Щурковым, Т. Бурибековым)

8 Пакет программ расчет напряженно-деформированного состояния насыпи методом конечных элементов Алгоритмы и программы Информационный бюллетень - 1986. №6 - 16 с (В соавторстве с Ю И Куликовым, О П. Березиной, Т. Бурибековым).

9 Геоинформационная система земляного полотна // Путь и путевое хозяйство - 1999,- №4 -С 18-22.

10. Еще раз о диагностике земляного полотна // Путь и путевое хозяйство. —2000. - №2. - С. 26 (В соавторстве с А.Г. Здебским).

11. Об информатизации путевого хозяйства // Путь и путевое хозяйство. - 2000. - №2. - С. 26 (В соавторстве с А.Г. Здебским, Р.Г. Арослановым).

12. САПР земполотна // Тр. Ш научн.-практ. конф. Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте. - М.. МИИТ, 2000. - С. 11-12. (В соавторстве с А.Г. Здебским, В.Л. Никитенко).

13. Сейсмотомография как элемент инженерно-геологических изысканий // ВУЗы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБу. Региональная научн.-практич. конф. - Новосибирск: СГУПС, 2002. - С. 298.

14. Опыт использования сейсмотомографии при изучении строения железнодорожных насыпей // Стр-во и архитектура. - Новосибирск. - 1993. №1. ~С. 133-139 (В соавторстве с Б.А. Канарейкиным, В.Н. Курбатским).

15. К вопросу решения на ЭВМ задач определения напряженно-деформированного состояния // Стр-во и архитектура. - Новосибирск. - 1987. №1. - С. 115-118. (В соавторстве с Г.Г. Щурковым)

16. Расчет грунтовых сооружений армированных геотекстилем // Стр-во и архитектура. - Новосибирск. - 1987. - №9. (В соавторстве с А.А Цернантом, Т. Бурибековым)

17. Расчет армирования массивов грунтов с применением МКЭ и нелинейной механики грунтов // Современные проблемы нелинейной механики грунтов. Тез. Всесоюз. конф -Челябинск, 1985. - С. 170-171.

18 К вопросу обеспечения надежности решения на ЭВМ задач проектирования оснований и грунтовых сооружений // Современные проблемы нелинейной механики фунтов. Тез. Всесоюз. конф - Челябинск, 1985. -С. 131-133. (В соавторстве с Г.Г. Щурковым).

19. Расчет армирования геотекстилями насыпей на слабых основаниях с применением упругопластической модели грунта И Сооружение

железнодорожного земляного полотна. - М.. ЦНИИС. 1983. - С.107-118. (В соавторстве с A.A. Цернантом).

20 Упругопластинеская задача напряженно-деформированного состояния насыпи и основания МКЭ с автоматической разбивкой расчетной области // Проблемы механики грунтов, оснований и фундаментов в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов Дальнего Востока. Тез. докладов. - Владивосток, 1983. - С. 14-16. (В соавторстве с Т. Бурибековым).

21. Применение метода конечных элементов для расчета армирования нетканными материалами насыпей на слабых основаниях с использованием упругопластической модели грунта // Проблемы механики грунтов, оснований и фундаментов в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов Дальнего Востока Тез. докладов. - Владивосток, 1983. - С. 22. (В соавторстве с A.A. Цернантом).

22. Устойчивость неконсолидирующихся грунтов // Тр. к IX Международному конгрессу по механике фунтов и фундаментостроению. Токио, 1977 (В соавторстве с A.C. Строгановым, Ю.И. Соловьевым, Ю.П Смолиным).

23. Уравнения теории предельного равновесия консолидирующихся грунтов и задача устойчивости основания сооружения // Стр-во и архитектура. - Новосибирск. - 1974. - №3. (В соавторстве с Ю.И. Соловьевым).

24. Моделирование взаимодействия боковой поверхности фундамента с пучинящим слоем фунта в зоне контакта методом конечных элементов// Инженерно-геологические условия и особенности фундаментостроения при транспортном строительстве в Сибири. - Новосибирск, 1980 (В соавторстве с Г.Н. Полянкиным)

25. Создание цифрового топофафического плана в системе DTM 2000. Методическое указание к выполнению лабораторных работ, для

выполнения УИРС и дипломного проектирования. - Новосибирск: Изд. СГУПСа, 2003. - 42 с. (В соавторстве с A.B. Андреевым и A.A. Катуровой).

26. Расчет земляного полотна по теории нелинейной механики // Путь и путевое хозяйство. - 2003. - №10. - С. 35.

27. О техническом обеспечении земляного полотна // Путь и путевое хозяйство. - 2002. - №7. - С. 30-32.

28. Гидравлическое ударное устройство. Патент на изобретение №2225482 (В соавторстве с Ю.А. Поповым и С.В. Даниловичем), 2004.

РНБ Русский фонд

2006-4 702

Подписано в печать 28.04.2004 2,75 печ л. Тираж 120 экз. Заказ № 1228 Отпечатано с готового оригинал-макета в издательстве СГУПСа Новосибирск, ул. Д Ковальчук, 191

13 L 2334