Full Text

Введение В соответствии с требованиями норм РФ (СП 116.13330.2012) при проектировании автомобильных дорог на карстоопасных территориях предусматриваются защитные противокарстовые мероприятия, основная цель которых заключается в обеспечении безопасности дороги во время всего жизненного цикла (Пономарев А.Б. и др. [1-3]). Основным мероприятием противокарстовой защиты автомобильных дорог является укладка геосинтетического материала (геоматериала) в основании насыпи [1-3, 4, 5]. Для повышения эффективности данного мероприятия на геоматериал устанавливается система сигнализации [6-9], которая позволяет фиксировать развитие процесса карстообразования в карстующихся грунтах (рис. 1). Рис. 1. Поперечный профиль армогрунтовой насыпи: 1 - карстующиеся грунты; 2 - покровная толща; 3 - автодорожная насыпь Fig. 1. Transverse profile of the armogrunt embankment: 1 - karst soils; 2 - cover stratum; 3 - road embankment При этом геоматериал должен выполнять функцию поддержки линейного сооружения до устранения последствий провала, а система сигнализация позволяет контролировать динамику развития процессов карстообразования на наиболее опасных участках дороги и при необходимости выполнить локальное инъецирование покровной толщи или тампонаж образовавшихся полостей цементным раствором. В соответствии с аналитическими методами расчета геоматериала в основании дорог, разработанными зарубежными и Российскими учеными [4, 5, 10, 11], расчет производится на этапе образования карстовой воронки (провала) в основании насыпи автомобильной дороги (рис. 2), размер которой является основным расчетным параметром. Выполняется расчет относительного удлинения и растягивающего усилия в геосинтетическом материале, а также определяются деформации основания дорожного полотна. При данной расчетной методике и проектировании противокарстовой защиты путем укладки геосинтетического материала, допускается появление пустот в основании, что ставит под вопрос безопасность и может полностью парализовать движение. Рис. 2. Расчетная схема Fig. 2. Calculation scheme В связи с установкой сигнальной системы на геосинтетический материал появляется возможность контролировать процесс роста полости в карстующихся грунтах [1, 8, 9] и принять соответствующие меры до появления пустот в основании. Чувствительность сигнальной системы должна соответствовать незначительным относительным деформациям в геометериале при образовании полости в карстующихся грунтах. При установке системы сигнализации на геоматериал именно относительные деформации будут сигнализировать о росте полости на глубине. Таким образом, система сигнализации должна фиксировать усилия растяжения и относительные деформации геоматериала, вызванные полостью в карстущихся грунтах. Методика численных исследований и обоснование принятой расчетной модели Для установления аналитической зависимости между диаметром полости в карстующихся грунтах и усилиями в геоматериале выполняются численные исследования [12]. В качестве расчетного параметра карстовых деформаций используется размер полости в карстующихся грунтах (рис. 3), а результатом расчета (расчетные критерии) являются растягивающее усилие в геоматериале и относительная деформация, определяемая по графикам лабораторного испытания геосинтетического материала (Приложение А ОДМ218.5.003-2010), а также деформации проезжей части автомобильной дороги. Прогнозируемый размер полости за нормативное время эксплуатации дороги определяется в отчетах по инженерно-геологическим изысканиям при оценке карстовой опасности. Расчеты выполнены на основе численного моделирования напряженно-деформированного состояния основания с учетом армирующей прослойки земляного полотна из геосинтетического материала и проектных нагрузок от подвижного транспорта PАК = 14,1 кПа[13] в плоской и пространственной постановке с использованием верифицированных программных комплексов PLAXІS 2D и PLAXІS 3D. По результатам расчета в плоской постановке выполнено сопоставление результатов расчета усилий в геосинтетическом материале при росте полости и образовании провала. Полученные результаты подтверждают, что растягивающие усилия (деформации) в геоматериале при расчете на образование полости в карстующихся грунтах существенно снижаются по сравнению с аналогичным расчетом, но при образовании провала под насыпью [14]. Аналитические зависимости усилий и относительных деформаций в геосинтетическом материале от прогнозируемого размера карстовой полости в карстующихся грунтах, мощности покровной толщи и высоты насыпи получены на основе численных расчетов в пространственной постановке. Рис. 3. Расчетная модель: 1 - карстующиеся грунты; 2 - покровная толща; 3 - геосинтетический материал; 4 - автодорожная насыпь Fig. 3. Calculation model: 1 - karst soils; 2 - cover stratum; 3 - geosynthetic material; 4 - road embankment Вариативная конечно-элементная расчетная модель (рис. 3) принята со следующими параметрами: · грунтовый массив, представленный известняком, суглинком и песком (дорожная насыпь) с характеристиками, указанными в табл. 1, для моделирования грунта применяется упругопластическая модель Кулона - Мора; · армирующий геосинтетический материал моделируется с помощью специального элемента с параметром нормальной (осевой) жесткости ЕА, работающий исключительно на растяжение; · размеры расчетной области определены из условия отсутствия влияния его на результаты расчета, узлы на вертикальных границах области закреплены по X и Y, на горизонтальной границе - по Z; · в расчете используется пять вариантов высоты насыпи (h, см. рис. 3): 2; 3; 4; 5; 6 м, глубина заложения геоматериала (hs, см. рис. 3) принята равной 1 м [15]; · диаметр карстовой полости (D, см. рис. 3) варьируется от 2 до 6 м, для моделирования полости выделяются элементы, которые на этапе задания полости отключаются. · мощность покровной толщи от основания дороги до кровли карстующихся грунтов (H, см. рис. 3) - 5; 10; 15; 20 м. · в качестве армирующего материала принят изотропный геосинтетический материал с жесткостью 1700 кН/м. Таблица 1 Физико-механические характеристики грунтов Table 1 Physical and mechanical properties of soils Параметр Карстовый слой Покровная толща Насыпь а/д Наименование Известняк Суглинок Песок Удельный вес, кН/м3 18,9 19,0 18,0 Модуль деформации, кН/м2 120 000 20 000 28 000 Удельное сцепление, кН/м2 700 30 1 Угол внутреннего трения, град 30 17 28 Коэффициент Пуассона 0,29 0,35 0,30 Расчет выполняется в следующей последовательности: - определяется исходное НДС грунтового массива; - выполняется поэтапный рост размеров карстовой полости в карстущихся грунтах, в процессе выполнения расчетов контролируется рост «свода обрушения» над карстовой полостью (рис. 4). Расчеты выполняются только при условии «устойчивых сводов», т.е. «всплытие» карстовой полости не происходит. Рис. 4. Расчетная интерпретация образования «устойчивого свода» над карстовой полостью в карстующихся грунтах Fig. 4. Computational interpretation of the "stable vault" over the karst cavity in karstic soils formation Анализ результатов численных исследований Результаты расчета растягивающих усилий, в геосинтетическом материале при изменении диаметра полости в карстующихся грунтах, высоты автодорожной насыпи и мощности покровной толщи представлены в табл. 2. Таблица 2 Растягивающие усилия в геосинтетическом материале Table 2 Tensile forces in geosynthetic material Высота насыпи, м Диаметр полости, м Растягивающие усилия при толщине покровной толщи над карстовой полостью 5 м (кН/м) 10 м (кН/м) 15 м (кН/м) 20 м (кН/м) 2 2 0,932 0,488 0,399 0,315 4 1,231 0,502 0,393 0,303 6 1,625 0,581 0,372 0,244 3 2 0,692 0,737 0,584 0,468 4 0,77 0,768 0,578 0,465 6 1,207 0,863 0,572 0,454 4 2 0,714 0,803 0,862 0,586 4 0,834 0,837 0,849 0,568 6 1,39 0,965 0,841 0,527 5 2 0,931 1,083 0,916 0,753 4 1,125 1,096 0,899 0,75 6 1,56 1,258 0,872 0,683 6 2 0,495 1,263 1,297 0,983 4 0,513 1,297 1,285 0,965 6 0,795 1,542 1,27 0,902 Аналитическое решение для определения растягивающих усилий получено по результатам статистической обработки данных табл. 2. В результате регрессионного анализа установлена связь между безразмерными параметрами и , где N - растягивающие усилия геосинтетического материала (кН/м), EA - жёсткость геосинтетического материала (кН/м), D - диаметр карстовой полости (м), H - высота покровной толщи над карстующимеся грунтами (м). Получены линейные зависимости вида y = ах + b (рис. 5). Коэффициент «а» может быть принят постоянным и равным 0,0002, а коэффициент b непосредственно зависит от высоты автодорожной насыпи (H) = 0,0002 + b. (1) График зависимости коэффициента «b» от безразмерного параметра hs / h представлен на рис. 6. Заменив коэффициент b в формуле (1) функциональной зависимостью b = 0,0001(hs / h)-0,888 (см. рис. 6), получим зависимость растягивающих усилий в геосинтетическом материале от диаметра полости (D) в карстующихся грунтах, мощности покровной толщи (H) и высоты автодорожной насыпи (h), кН/м: (2) Используя формулу (1), получим зависимость диаметра полости от усилий в геоматериале, м: (3) Рис. 5. Графическая интерпретация результатов численных расчетов: N - растягивающие усилия в геометериале; EA - жёсткость геосинтетического материала; D - диаметр карстовой полости; H - высота покровной толщи над карстующимеся грунтами Fig. 5. Graphical interpretation of the results of numerical calculations: N - tension forces in geomaterial; EA - stiffness of geosynthetic material; D - diameter of karst cavity; H - height of covering strata above karst soils Рис. 6. Зависимость значения коэффициента b от hs / h; hs - глубина заложения геосинтетического материала, м; h - высота автодорожной насыпи, м Fig. 6. The dependence of the coefficient b value on hs / h; hs - the depth of laying the geosynthetic material, m; h is the height of the road embankment, m Полученные формулы (2) и (3) и графики зависимости относительных деформаций геоматериала от усилий растяжения в геоматериале (лабораторные испытания) позволяют корректно тарировать датчики и измерительную аппаратуру системы сигнализации при заданных диаметрах карстового провала (формула (2)) и по результатам измерений устанавливать начало процесса образования полости в карстующихся грунтах (формула (3)). Выводы По результатам выполненных численных исследований установлено следующее: 1. Для эффективной защиты основания автомобильных дорог от карстопроявлений применяются геосинтетические материалы с установкой на них сигнальной системы, которая позволяет контролировать процесс роста полости в карстующихся грунтах и принять соответствующие меры до появления пустот в основании. 2. По результатам выполненных численных исследований в пространственной постановке предложены аналитические решения для определения усилий в геосинтетическом материале в зависимости от диаметра карстовой полости в карстующихся грунтах, мощности покровной толщи над карстующимися грунтами и высоты дорожной насыпи. 3. Получены решения могут быть использованы при проектировании армирования оснований дорожной насыпи на карстоопасной территории укладкой геосинтетических материалов с установкой на них системы сигнализации и при анализе данных работы системы в процессе эксплуатации дороги.

About the authors

N. Z Gotman

Russian University of transport; Perm National Research Polytechnic University

Y. I Panteleev

Russian University of transport

References

Statistics

Views

Abstract - 95

PDF (Russian) - 71

Refbacks

• There are currently no refbacks.