CC BY
77
УДК S2e
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ НАСЫПИ
Ольга Газисовна Бесимбаева
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, Se, кандидат технических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)S6-26-27, e-mail: [email protected]
Елена Николаевна Хмырова
Карагандинский государственный технический университет, 100027, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, Se, кандидат технических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)S6-26-27, e-mail: [email protected]
Никита Николаевич Леонов
ТОО «Центргеодезия», 100000, Республика Казахстан, г. Караганда, пр. Н. Абдирова, S, директор, тел. (7212)91-02-47, e-mail: [email protected]
Использование информационных технологий при проектировании новых железнодорожных линий позволяет обеспечить сопровождение процесса принятия решений на всех стадиях разработки проекта оперативной информационной поддержкой. Реализация такой поддержки требует организации управления источниками информации, выбора наилучших характеристик информационной модели и эффективного аппарата управления процессом проектирования. Современные технические возможности позволяют перейти к разработке систем проектирования, в которых компьютер используется не только для решения расчетных, графических и оформительских задач, но и для выработки проектных решений на основе комплексных математических моделей и математически корректных алгоритмов оптимизации. Метод определения критических режимов функционирования объекта транспортной инфраструктуры по результатам комплексного обследования позволяет прогнозировать зарождение процесса деформации, дальнейшее развитие деформаций земляного полотна и давать рекомендации по его эксплуатации.
Ключевые слова: компьютерное моделирование насыпи, напряженно-деформированное состояние, оценка устойчивости откосов насыпей, влажность грунта, поверхность скольжения, прочностные характеристики, комплексное обследование, земляное полотно, программный комплекс.
EVALUATION OF RAILWAYS HILL'S STABILITY
Olga G. Besimbaeva
Karaganda State Technical University, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, Se Mira Avenue, Ph. D., Associate Professor, Department of Mine Survey and Geodesy, tel. (7212)S6-26-27, e-mail: [email protected]
Elena N. Khmyrova
Karaganda State Technical University, 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, Se Mira Avenue, Ph. D., Associate Professor, Department of Mine Survey and Geodesy, tel (7212) Se-2e-27, e-mail: [email protected]
Nikita N. Leonov
ALL «Centergeodesy», 100027, Kazakhstan Republic, Karaganda, S Boulevard Abdirova, Director, tel. (7212)91-02-47, e-mail: [email protected]
The use of information technology in the design of new railway lines to provide support for the process of decision-making at all stages of development of the draft operational information support. The implementation of such support requires the organization's management information sources, selecting the best characteristics of the information model and effective staff control over the design process. Modern technical capabilities allow to start the development of design systems in which the computer is used not only for design, graphic and design tasks, but also for the development of design solutions on the basis of complex mathematical models and mathematically correct algorithms for optimization. The method of definition of the critical modes of functioning of object of transport infrastructure by results of complex inspection allows to predict deformation process origin, further developments of deformations of a road bed and the recommendation about his operation.
Key words: computer modeling of an embankment, the intense deformed state, an assessment of stability of slopes of embankments, humidity of soil, the sliding surface, the strength characteristics, a comprehensive survey, roadbed, software package.
Масштабные компьютерные модели транспортных объектов позволяют определять основные факторы, описывающие свойства изучаемого исходного объекта. В частности, исследовать напряженно-деформированное состояние модели реального физического объекта в зависимости от изменения внешних факторов и начальных условий. Такие исследования имеют большое практическое значение при анализе рисков эксплуатации объектов транспортной инфраструктуры в критических режимах. Процесс создания компьютерной модели и ее расчет состоит из нескольких этапов. Ниже приведена методика компьютерного моделирования насыпи железнодорожного пути [1, 2].
Вычислительные процедуры расчетных комплексов основаны на численном методе конечных элементов и отличаются лишь PRE и POST процессорами. По вычислительным возможностям перечисленные пакеты примерно одинаковы. Для получения информации о напряженно-деформированном состоянии исследуемых транспортных объектов необходимо выполнить численный расчет в программах компьютерного моделирования, таких как ANSYS, максимально учитывающих реальные свойства и физику моделируемых объектов. Современные программные комплексы используют эффективные расчетные технологии на базе метода конечных элементов.
Для оценки устойчивости откосов насыпей в строительной практике существует несколько подходов. Как правило, он используется для оценки стабильности объектов, расположенных в сложных инженерно-геологических условиях. Этот метод требует применения сложных моделей грунта, тщательного определения физико-механических характеристик материалов, а также полного соответствия реальным геометрическим размерам моделируемого объекта [2, 3]. Ниже представлен расчет устойчивости железнодорожной насыпи с использованием конечно-элементного программного комплекса ANSYS Multiphisics. В качестве расчетной модели был выбран реальный объект - железнодорожная насыпь, расположенная на 52 км ПК 7 участка Жезказган - Саксаульская, перегон разъезда № 2. Верхнее строение пути характеризуется следующими данны-
ми: участок пути не электрифицированный, однопутный (двухпутный), путь звеньевой, рельсы Р-65, шпалы железобетонные, эпюра шпал 1 840 шт./км, балласт щебеночный [4-6].
Анализ причин деформаций земляного полотна железных и автомобильных дорог показывает, что «сплывы» откосов насыпей, как правило, возникают вследствие влияния избыточного увлажнения. Они проявляются обычно в виде смещения слоев грунта в неблагоприятное по погодным условиям время года (весной при оттаивании грунта, осенью и летом после затяжных или ливневых дождей и т. д.). Все эти участки сложены преимущественно из глинистых грунтов, отличительной чертой которых является сильная зависимость их физико-механических свойств от состояния влажности [4, 7-9].
Однако при увеличении влажности прочность и сопротивление сдвигу глинистых грунтов резко снижается, а деформируемость увеличивается. Грунт переходит из твердого состояния в пластичное, а затем и в текучее. Такие переходы сопровождаются резким падением несущей способности грунтов. Поэтому оценку устойчивости откосов и склонов необходимо производить с учетом этих изменений. Целью настоящего расчета является определение параметров влажности грунтов, слагающих тело насыпи, при которой происходит потеря ее устойчивости, а также величины и характера деформаций разрушения. При этом изменение (уменьшение) исходных значений прочностных характеристик С и ф в расчетной модели происходит в соответствии с закономерностью, определяемой известной корреляционной зависимостью, которая приведена на рис. 1.
Рис. 1. Зависимость прочностных характеристик грунта насыпи от влажности
Исследуемая насыпь рассчитана в рамках модели плоской деформации. Грунтовая среда насыпи представлена суглинками средней прочности. Характеристики грунтов и элементов верхнего строения пути, учитываемые в компьютерной модели, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики материалов компьютерной модели
Материал Свойства
Е, кПа V р, т/м3 С, кПа Ф, град
Бетон шпал 3,25 • 107 0,2 2,5 - -
Щебеночный балласт 105 0,27 1,85 2 27
Грунт насыпи 1,6 • 104 0,35 1,94 10 27
Для определения напряженно-деформированного состояния объекта рассмотрен случай, когда на насыпь прикладывается максимально вероятное эксплуатационное значение давления, характерного для данного участка железнодорожного пути (80 кПа) и передаваемое от подвижного состава через шпалу [10, 11].
Оценка устойчивости железнодорожной насыпи проведена по анализу рассчитанного напряженно-деформированного состояния.
В табл. 2 приведены значения деформаций в откосной и подбалластной зоне насыпи при вертикальной равномерно распределенной нагрузке от подвижного состава на шпалу 1-го и 2-го пути 80 кПа. Видно, что в наибольшей степени разрушению подвержена область в откосной зоне и основной площадке 2-го пути. При этом критической величины деформаций эта область достигает при пороге влажности в 30 %. По результатам исследований построен график влияния водонасыщенных грунтов, слагающих тело железнодорожной насыпи, на величину деформации (рис. 2).
Таблица 2
Результаты компьютерного моделирования железнодорожной насыпи
Влажность грунта, % Максимальная деформация грунта, м
1-го пути 2-го пути
в подбалластной зоне в откосной зоне в подбалластной зоне в откосной зоне
15 0,007 0,009 0,015 0,011
17 0,009 0,011 0,017 0,011
20 0,018 0,012 0,026 0,018
23 0,020 0,014 0,029 0,020
25 0,021 0,015 0,032 0,023
27 0,022 0,015 0,035 0,026
30 разрушение объекта
Рис. 2. Зависимость деформаций тела насыпи от влажности грунта
На рис. 3, 4 представлена динамика развития процесса деформаций в теле насыпи при увеличении влажности грунтовой среды. Оттенками цветов показано распределение деформаций.
00 СП
¿> сЬ о о о о
3 § ё 3 § 8
б)
г)
Рис. 3. Динамика развития процесса деформаций в теле насыпи:
а) влажность грунта 15 %; б) влажность грунта 20 %;
б) влажность грунта 27 %; г) влажность грунта 30 %
Характер разрушения представлен на рис. 4, на котором видно, что поверхность скольжения имеет круглоцилиндрическую форму, характерную для откосов, сложенных из глинистых грунтов.
Рис. 4. Деформированный вид насыпи при достижении влажности грунта 30 %
Процесс моделирования обеспечивает достаточно высокую и стабильную сходимость численного решения методом конечных элементов (достигнутая сходимость составляет 10-4 за 30 итераций) и точность выходных параметров в пределах 4 %, необходимых для оценки эксплуатационных особенностей объекта транспортной инфраструктуры «железнодорожная насыпь». При таких условиях модель можно считать адекватно описывающей реальный объект, а получаемые параметры приемлемыми для использования [12, 13].
Модель объекта транспортной инфраструктуры «железнодорожная насыпь» позволяет определить набор и значения критических параметров, при которых происходит отказ в работе системы. Установлено, что основными критическими параметрами данного объекта являются влажность и деформация. При этом значение критического параметра влажности, при котором происходит разрушение рассматриваемой железнодорожной насыпи, составляет 30 %.
Методика определения критических режимов функционирования объекта транспортной инфраструктуры предназначена для выявления факторов деструктивного воздействия на данный объект и определения «набора» контрольных параметров, фиксирующих состояние объекта. На основе методики осуществляются [3, 14, 15]:
а) анализ и определение основных параметров, характеризующих состояние объекта транспортной инфраструктуры, изменяющихся с течением времени под воздействием внешних факторов;
б) анализ влияния выбранного параметра на стабильность функционирования объекта транспортной инфраструктуры;
в) комплексное обследование объекта транспортной инфраструктуры с применением современной измерительной аппаратуры и программных продуктов. Определение фактического состояния (геометрические параметры, внутреннее строение, физико-механические характеристики грунтов);
г) компьютерное моделирование объекта транспортной инфраструктуры для проверки критических режимов его функционирования;
д) оценка влияния внешних факторов на измеряемые параметры.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Струченков В. И., Козлов А. Н., Егунов А. С. Динамическое программирование в проектировании трасс линейных сооружений // Информационные технологии. - 2011. -
№ 8 (118о).
2. Хмырова Е. Н., Бесимбаева О. Г. Результаты исследований устойчивости насыпных дамб золоотвалов Карагандинской области. East Euoropean Scientific Journal Wschodnioeuropejskie Czasopismo Naukowe // Журнал Польша. - 2015. - № III. - С. 164-168.
3. Методика оценки состояния машинного канала водоподачи / Е. Н. Хмырова, О. Г. Бесимбаева, Р. В. Синяк, А. С. Туякбай // Научный журнал «Вестник ЕНУ» Евразийский национальный университет им. Л. Н. Гумилева. - 2015. - № 6 (109). - С. 263-269.
4. Анализ возникновения погрешностей при создании и обновлении цифровых топографических карт / Е. Н. Хмырова, О. Г. Бесимбаева, В. Ф. Ярцева, Р. В. Синяк // Вестник СГУГиТ. - 2015. - Вып. 2 (30). - С. 62-72.
5. Комплексное обследование гидротехнических сооружений на Щардаринском водохранилище / Е. Н. Хмырова, С. Г. Ожигин, Ж. С. Нугужинов, Н. А. Имранова, М. Б. Игем-берлина // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 4 (24). - С. 78-85.
6. Research of stability of pritectig dams of ash dumps / E. N. Khmyrova, F. K. Nizametdinov, O. G. Besimbayeva, V. N. Dolgonosov // XV Jubilee Balkan Mineral Processing Congress, Proccedings Volume II. Sozopol, Bulgaria 2013, С. 652-656.
7. Improving GPR monitoring of track ballast and railway structural integrity / Z. B. Khakiev, V. A Bilalov, A. V Morozov and V. A. Yavna // First break - An EAGE Publication, 2009. V. 27. -P. 93-95.
8. Shafahi Yousef, Shahbazi M. J. Optimum railway alignment [Eiectronic resource]. -Режим доступа: http://www.uic.org/cdrom/2001/wcrr2001/pdf/sp/2_1_1/210.pdf
9. Jha M.K., Schonfeld P.M., Yong J.C., Kim E. Intelligent Road Design. WIT Press, Southampton. 2006.
10. Struchenkov V. I. Mathematical Models and Optimization in Line Structure Routing: Survey and Advanced Results // International Journal Communication, Network and System Sciences. Special Issue: Models and Algorithms for Application. 2012. № 5.
11. Вовк И. Г. Линейные геометрические модели и их применение в прикладной геоинформатике // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 2 (22). - С. 107-119.
12. Вовк И. Г. Геометрическое моделирование линейных объектов в прикладной геоинформатике // Вестник СГГА. - 2013. - Вып. 4 (20). - С. 57-62.
13. Зверев Л. А., Мошенжал А. В. О роли метода георадиолокации при полевом обследовании стройплощадок в инженерных изысканиях // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 1 (21). -С. 54-60.
14. Женибекова А. Б. Новый подход к формированию условных обозначений в среде ГИС // Вестник СГГА. - 2014. - Вып. 1 (21). - С. 135-140.
15. Павловская О. Г., Хорошилов В. С. Статистические исследования оползневых процессов по результатам геодезических наблюдений // Вестник СГГА. - 2011. - Вып. 3 (16). -С. 15-20.
Получено 13.04.2016
© О. Г. Бесимбаева, Е. Н. Хмырова, Н. Н. Леонов, 2016
