m_0867

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

лым значением толщины снежного покрова, что позволило ожидать существенного промерзания грунта в теле экспериментальной насыпи.

На рис. 15, 16 показаны соответственно сравнительный график среднемесячных температур и график значений толщины снежного покрова за зимний период каждого из наблюдаемых сезонов.

Рис. 15. График среднемесячных температур за зимний период 2009–2012 гг.

Рис. 16. График значений среднемесячной толщины снежного покрова в 2009–2012 гг.

Среднемесячная толщина снежного покрова на насыпи колебалась от 5–10 см в ноябре до 20–25 см в марте.

На рис. 17 показаны характерные графики распределения температур в теле земляного полотна с учетом теплоизолирующего

31

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

покрытия и без него в различные периоды зимнего сезона. На представленных графиках хорошо виден участок резкого изменения температуры по глубине в зоне расположения пенополистирола. Перепад температур в слоях грунта, расположенных над пенополистиролом и сразу под ним, в течение зимы достигал 10 ºС и более.

Рис. 17. Графики температурного поля земляного полотна по его оси в ноябре 2009 г. (а) и феврале 2010 г. (б):

с пенополистиролом (1) и без него (2)

На сводном графике (рис. 18) представлены сравнительные результаты измерений глубины промерзания и оттаивания грунта под основной площадкой земляного полотна с теплоизолирующим покрытием и без него в течение пяти месяцев зимнего сезона. Отличительной особенностью обоих графиков является за-

32

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

медление промерзания грунта, приходящееся на период с конца декабря до середины января. Это объясняется интенсивным увеличением толщины снежного покрова в этот период и, как следствие, временным повышением температуры верхнего строения пути.

Рис. 18. Глубина промерзания грунта в насыпи под основной площадкой в 2009–2010 гг.

Как следует из рис. 18, максимальная глубина промерзания грунта в обоих случаях была зафиксирована в первой половине

33

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

марта. В зоне с теплоизолирующим покрытием максимальное промерзание наступило примерно на неделю позже, чем на свободном участке, а полное оттаивание – позже на две недели.

За три года исследования был собран большой объем информации, позволяющей не только сопоставить зависимость значений температур грунта от температуры воздуха, но и выявить некоторые факторы, существенно влияющие на процесс, такие как вид грунта, толщина снежного покрова, устройство теплоизолирующего покрытия, и оценить долю каждого из них в общем влиянии на общее промерзание грунта.

Полученный объем знаний может быть вполне достаточен для использования его как основы для создания математической модели промерзания грунта и алгоритма расчета.

Уникальность данных исследований заключается в том, что до настоящего момента не было проведено столь тщательного мониторинга температурного поля земляного полотна с учетом его особенностей (устройства верхнего строения пути, уплотнения снега в колее и др.), что обусловлено сложностью установки и использования измерительной аппаратуры в реальных условиях на насыпях действующих железных дорог. Эта задача была решена с помощью использования в качестве объекта исследования полномасштабной модели земляного полотна на полигоне СГУПСа, что позволило получить реальные и объективные данные для подобного исследования.

Библиографический список

1.Исаков А.Л., Ким Хюн Чол. Экспериментальные исследования и расчет температурного режима грунтов земляного полотна на полигоне СГУПСа // Железные и автомобильные дороги в условиях Сибири: Сб. науч. тр. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2011. С. 8–12.

2.Исаков А.Л., Ким Хюн Чол. Моделирование процесса промерзания земляного полотна на полигоне СГУПСа // Труды VIII научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна и искусственных сооружений». М.: МИИТ, 2011. С. 137–142.

34

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

УДК 625.164

О.А. Бирюкова, А.Л. Исаков, Ю.С. Морячков

РАСЧЕТ ПРОТИВОЛАВИННЫХ СООРУЖЕНИЙ В ЗОНЕ ТРАНЗИТА СХОДА ЛАВИН

Расчеты противолавинных сооружений, приведенные в данной статье, выполнялись в рамках проекта инженерной и транспортной инфраструктуры одного из горных курортов Большого Кавказа. Необходимость проектирования противолавинных сооружений была вызвана опасностью схода снежных масс на объекты инфраструктуры курорта. Согласно принятому плану мероприятий по обеспечению противолавинной безопасности, комплексная защита объектов от лавин производится с помощью различных инженерно-технических мероприятий. В частности, изменение направления лавинного потока осуществляется лавинонаправляющей дамбой, а локальная защита отдельно расположенных объектов от лавин – с помощью лавинорезов.

Описание природных условий объекта

Район строительства канатной дороги находится на северном склоне Западного Кавказа, в бассейне одной из горных рек.

Основными метеорологическими условиями, вызывающими сход снежных лавин, являются температура и влажность воздуха, толщина снежного покрова, температура внутри снежной толщи, оттепели и таяние снежного покрова, метелевый перенос снега, ветровое уплотнение поверхности снега, ветровые формы рельефа (снежные карнизы).

С мая по октябрь в бассейне реки на всех высотах наблюдается положительная среднемесячная температура воздуха. Отрицательная среднемесячная температура воздуха в холодный период года отмечается на высотах более 1 500 м с декабря по апрель (рис. 1).

Число дней с положительной температурой воздуха колеблется в зависимости от высоты местности от 331 дня на высоте 500 м до 137 дней на высоте 3 000 м. Суммы положительных температур воздуха также уменьшаются в зависимости от высоты местности от 374 °С на высоте 500 м до 72 °С на высоте 3 000 м (рис. 1).

35

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Рис. 1. Распределение среднемесячной температуры воздуха по высотным зонам

Следует отметить, что температура воздуха выше 0 ºС вызывает таяние снега и сход мокрых лавин. Первые влажные и мокрые лавины на площадке сходят из лавиносборов, находящихся на наименьшей высоте, а затем по мере увеличения положительных среднесуточных температур воздуха начинают действовать лавиносборы, лежащие на большей высоте. Однако не всегда переход среднесуточной температуры воздуха через 0 ºС в положительную сторону означает таяние снежного покрова и сход снежных лавин, так как снег может не таять при положительной температуре воздуха, а интенсивно испаряться при низкой абсолютной влажности воздуха. Поэтому для оценки возможности таяния снега и схода лавин недостаточно только сведений о температуре воздуха, необходим еще и учет эффекта испарения снега.

Регион характеризуется средней степенью лавинной активности (на 1 пог. км дна долины в год сходит в среднем от 1 до 5 лавин), объем лавин – менее 10 000 м3. Индивидуальный лавинный риск, учитывающий уязвимость населения перед лавинами во времени и в пространстве, в регионе характеризуется как «допустимый» и «неприемлемый».

36

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Район строительства находится в зоне рекордной для Большого Кавказа средней декадной толщины снежного покрова 796 см, т.е. данный район характеризуется повышенной снежностью.

Расчет конструкции лавинонаправляющей дамбы

Лавинонаправляющая дамба – сооружение, необходимое для защиты двух опор канатной дороги и пересадочной станции.

Сооружение дамбы предполагается путем реконструкции существующей лавиноотводящей дамбы в зоне опор подвесной канатной дороги. Высота дамбы составляет 10–12 м. Крутизна откосов с низовой стороны составляет 1:2. С верховой стороны откос дамбы укреплен габионными конструкциями. Максимальный угол между предполагаемой линией действия лавины и сооружением в плане составляет около 60°.

Расчет устойчивости откосов дамбы

Расчет напряженно-деформированного состояния дамбы был произведен в программном комплексе Plaxis 2D, сертифицированном на территории РФ. Оценка устойчивости откосов дамбы произведена с учетом расчетной сейсмической интенсивности 9 баллов по шкале М8К-64 согласно СНиП II-7–81*, чему соответствует горизонтальное ускорение 0,1g, где g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения.

Значение коэффициента запаса было определено методом снижения прочностных характеристик грунта.

Ведомость инженерно-геологических элементов (ИГЭ) расчетной модели приведена в табл. 1.

37

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

ИГЭ1 и ИГЭ2 были рассмотрены в рамках упругопластической постановки задачи с реализацией критерия Кулона–Мора. Фронтальный откос дамбы был укреплен габионами. ИГЭ3 был рассмотрен в рамках упругой постановки задачи, так как конструктивная работа габионов описывается законами упругого поведения материала. Физико-механические характеристики инженерно-геологических элементов приведены в табл. 2.

На рис. 2 показано поле перемещений грунта в дамбе при ее отсыпке. Максимальные перемещения достигли 153 мм при высоте дамбы 16,4 м. Поле предельных сдвиговых деформаций при критических значениях прочностных характеристик изображено на рис. 3. Наиболее опасным при сейсмическом воздействии является левый (не фронтальный) откос дамбы. Коэффициент запаса при этом составил 1,17, что удовлетворяет требованиям СНиП II-7–81*.

38

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

Рис. 2. Поле перемещений грунта в дамбе

Рис. 3. Поле предельных сдвиговых деформаций в теле дамбы

Расчет дамбы на сдвиг при ударе лавины

Сдвигающая сила лавины Fл , кН/м, рассчитывается по формуле

39

Железные и автомобильные дороги в сложных условиях

где pл – максимальное давление лавины, принимаемое 350 кН/м; Нд – высота верхнего откоса дамбы, м; – угол наклона верхнего откоса к поверхности земли, град; – угол встречи лавины, град.

При Hд = 15,7 м, = 57°, = 60° двигающая сила равна

3 973,5 кН.

Удерживающая сила (сила реакции) дамбы рассчитывается по формуле

где С – удельное сцепление грунта, кПа; S – площадь основания

погонного метра дамбы, м2.

При С = 26 кПа, S = 54 м2 сила сцепления равна 1 404 кН/м. Сила трения, возникающая в основании дамбы, определяется

выражением

где Pн – нормальная составляющая веса дамбы на основание, кН;– угол внутреннего трения грунта, град.

Находим нормальную составляющую веса дамбы на основании по формуле

40