1286

2. Арка кругового очертания, с постоянным радиусом (рис. 3). Обычно возводится наленточном бетонном фундаменте.

Характеристики сечения: длина дуги – 8,74 м, площадь сечения –

13,17 м2.

Рис. 3. Арка кругового очертания

3. Арка пониженного очертания (рис. 4).

Характеристики сечения: длина дуги – 9,14 м, площадь сечения –

16,07 м2.

Рис. 4. Арка пониженного очертания

4. Полицентрическое очертание (рис. 5).

Характеристики сечения: длина дуги – 13,23 м, площадь сече-

ния – 14,69 м2.

Для наглядного сравнения, все полученные результаты сведем в таблицу.

Рис. 5. Полицентрическое очертание

291

Характеристики сечений

Из данных таблицы видно, что наименьшую длину дуги имеет арка кругового очертания, наименьшую площадь сечения – круглая труба.

Наиболее оптимальным сечением, в результате применения которого можно добиться экономии, является арка кругового сечения. Длина дуги влияет на количество гофрированных листов, необходимых для сборки необходимого сечения, отсюда следует, чем меньше длина дуги, тем меньше материала требуется на изготовление конструкции.

Таким образом, можно добиться значительной экономии при возведении подземного пешеходного перехода.

Список литературы

1. Моисеева О.В., Клевеко В.И. Учет безопасности движения пешеходов и стоимости строительства при выборе рационального типа пешеходного перехода // Мир науки и инноваций. – 2015. – Т. 8, № 2 (2). –

С. 90–93.

2. Moiseeva O.V., Kleveko V.I. Choice of rational type of crosswalk with regard to the safety for pedestrians and the cost of construction // SWorldJournal. – 2015. – Vol. J21504. – No. 2 (9). – С. 3–5.

3.Третьякова П.А., Клевеко В.И. Современные методы повышения эффективности транспортных систем городов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. – 2012. – № 1. – С. 101–108.

4.Новодзинский А.Л., Клевеко В.И. Учет влияния толщины гофрированного элемента на прочность и устойчивость металлической водопропускной трубы // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитек-

тура. – 2012. – № 1. – С. 81–94.

5.Официальный сайт компании Гофросталь [Электронный ре-

сурс]. – URL: http: //www.gofrostal.ru.

292

6. Половникова А.Э., Клевеко В.И. Выбор рационального типа пешеходных переходов с учетом безопасности движения пешеходов // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. – 2012. – Т. 2. – С. 356–361.

Об авторах

Моисеева Олеся Васильевна (Пермь, Россия) – студентка, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

(614010, г. Пермь, ул. Куйбышева, 109; e-mail: lesja.moiseeva@ mail.ru).

Клевеко Владимир Иванович (Пермь, Россия) – кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительное производство и геотехника», Пермский национальный исследовательский политехнический универси-

тет (614010, г. Пермь, ул. Куйбышева, 109; e-mail: vlivkl@ pochta.ru).

293

УДК 624.136; 137

ОБ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ ЗЕМПОЛОТНА В ЗОНЕ ПОТЕНЦИАЛЬНОГО ПОДТОПЛЕНИЯ

Л.М. Тимофеева, А.Д. Тимофеев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

Рассмотрены случаи разрушения земполотна автомобильных дорог в результате подтопления на участках примыкания к водоотводным сооружениям и на подходных участках к береговым опорам мостов в периоды весеннего и осеннего половодья. Проведенный анализ возникновения аварийных ситуаций показал, что при проектировании транспортных сооружений в условиях возможного подтопления не учитываются природные и техногенные факторы, которые могут повлиять на устойчивость откосов и сооружения в целом. Материалы работы внедрены при проектировании ремонта водопропускной трубы на Севере Свердловской области.

Ключевые слова: земполотно, подтопление, устойчивость откосов, аварийные ситуации.

В настоящей работе рассмотрены результаты анализа оползневых смещений откоса и тела земполотна, исследован характер разрушения расположенной в зоне оползня железобетонной трубы на основе данных инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий и материалов по конструктивным проектным и технологическим решениям участка автомобильной дороге, пересекающей р. Объездная Гора – приток реки Тавды на Севере Свердловской области.

Участок дороги, на котором произошёл оползень, был возведен в 2011–2013 гг. Тогда же была построена железобетонная труба с отверстием 3,0×2,5 м для пропуска р. Объездная Гора. При этом были изменены проектное заложение откосов земполотна с целью обеспечения их устойчивости, а также проектное положение и длина трубы. В настоящее время по данным изысканий заложение верхового откоса со стороны входного оголовка составляет 1:2 (соответствующий угол естественного откоса α = 26°), заложение низового откоса на неразрушенной части земполотна 1:2,5 при высоте насыпи до 10,0 м (α = 22°).

294

Для выяснения причин образования оползня была выполнена топографическая съёмка оползневого участка и проведены инженерногеологические изыскания.

По данным изысканий было установлено, что тело земполотна возведено из двух видов грунтов: нижняя часть мощностью 6,8 м – из тугопластичного суглинка с прослойками пылеватого влажного песка, верхний слой мощностью 2,2 м – из пылеватого маловлажного песка средней плотности.

В основании земполотна и в пределах оползневого участка залегает полутвёрдая глина. Однако с верховой стороны и на подходном участке к оползню с низовой стороны под почвенно-растительным слоем на глубину до 4,0 м залегают текучепластичные и мягкопластичные суглинки, представляющие собой слабые, сильносжимаемые грунты. Расчёты методами предельного равновесия и профессора Н.Н. Маслова несущей способности основания и устойчивости откосов на этих участках земполотна показали, что устойчивость его не обеспечена, и возможны осадки и оползневые смещения откосов при дальнейшей эксплуатации дороги. Грунтовые воды были обнаружены в уровне кровли подстилающего суглинка (на отметке 60,2 м).

Оползневые смещения произошли на участке, примыкающем

кжелезобетонной трубе. Форма оползня, его размеры, направление смещений грунта и их террасированный характер вдоль откоса позволяют сделать вывод о том, что наиболее вероятной причиной его образования является подтопление откоса поверхностными водами, вытекающими из выходного оголовка трубы и растекающимися вдоль нижней бровки откоса. Кроме того, с правой стороны оголовка имеются грунтовые завалы, препятствующие свободному течению реки вдоль лога и создающие подпор воды. Эти завалы, возможно, образовались при ремонте высоковольтной линии (в 2014 г.), когда была вырублена часть деревьев и заужено русло реки.

Предположительно, в период половодья 2014 г. подъём уровня воды в р. Тавде мог вызвать повышение уровня в р. Объездная Гора и создать подпор у выходного оголовка трубы вместе с примыкающими

кнему участками откосов земполотна. Вызванные этим подтоплением смещения покровного слоя пылеватого песка (прочностные параметры которого при замачивании значительно снижаются, так что он превращается в плывун) повлекли за собой верховую часть откоса вместе с дорожной одеждой.

295

Оползневые смещения нижней бровки откоса затронули часть тела земполотна, примыкающую к левой стороне выходного оголовка трубы, над трубой и за трубой, и привели к разрушению открылков, перемещению крайних звеньев трубы и появлению разрывов между звеньями в стыках. В зоны разрыва произошла суффозия грунта, внутри трубы образовался завал, перекрывший сечение трубы и преградивший путь воде. Оставшееся отверстие по высоте при обследовании трубы составлял всего 0,8 м вместо 2,5 м. Над трубой образовались две суффозионные воронки.

Изучение литологического состава грунтов, слагающих тело оползня, показало, что произошло смещение пылеватого песка по кровле подстилающего суглинка насыпи, т.е. образовался оползень скольжения. Приэтом выяснилось, что поверхность скольжения не была переувлажнена, а грунты (пылеватыйпесокисуглинок) находилисьвуплотнённомсостоянии.

Сопоставление проектного и фактического конструктивных решений трубы показало, что конструкция трубы соответствует типовому решению для инженерно-геологических и гидрологических условий. Однако при этом в материалах изысканий отсутствовала информация овозможности (невозможности) подтопления дороги со стороны р. Тавды, значимой судя по конструкции деревянного моста ниже по течению р. Объездная гора, как минимум, при особо полноводных паводках.

Следует отметить, что в любых водоёмах на дне всегда имеются отложения из слабых водонасыщенных глинистых или песчаных грунтов (кроме крупнообломочных и скальных пород). Однако наличие слабых прослоек не было обнаружено при инженерно-геологических изысканиях, но были вскрыты в основании земполотна при бурении скважин в процессе обследования оползня.

При горизонтальном положении трубы и малых расходах воды дополнительные мероприятия, повышающие сопротивление сдвиговым деформациям основания и боковым перемещениям звеньев трубы, не требуются. Однако при проектировании трубы в русле реки, как правило, предусматривают укрепление русла перед и за трубой и устройство струенаправляющих конструкций.

К факторам, способствовавшим проявлению оползневых явлений, следует отнести изменение положения трубы, которое было выполнено без разработки водоотводящего канала. Расположение выходного оголовка в непосредственной близости от склона оврага препятствовало свободному стоку. Вследствие этого часть потока пошла вдоль подош-

296

вы насыпи и стала подмывать откос. Ситуацию усугубило наличие грунтовых вывалов вблизи трубы с правой стороны.

В настоящее время вдоль нижних бровок откосов земполотна началось заболачивание, образовались полыньи, и идёт дальнейшее подтопление. Подтопление низового откоса подтверждается и тем, что к выходному оголовку водою были прибиты корчи, сузивших сечение трубы. Вторым существенным фактором, повлиявшим на устойчивость откоса, является возведение верхней его части из пылеватых песков. Пылеватые пески относятся к плывунным грунтам, они плохо уплотняются и легко теряют прочность при увлажнении и динамических нагрузках. Даже поверхностное увлажнение без соответствующего крепления откосов может привести к поверхностной суффозии и появлению локальных подвижек. Такие промоины и подвижки на поверхности откосов были обнаружены при обследовании. Даже при отсутствии подтопления можно ожидать дальнейших разрушений земполотна.

На основании данных изысканий было проведено расчетное моделирование взаимодействия конструкции трубы и земляного полотна. При расчётах звенья трубы рассматривались в качестве подпорной стенки. Сдвиговые усилия, представляющие собой активное давление грунта, действовали на боковые стенки звеньев трубы, находящихся в зоне развития оползня. Сопротивление сдвигу определялось в виде трения блока по подошве бетонной стяжки, на которую опирались промежуточные звенья. Поскольку первоначальное положение выходного оголовка неизвестно, в расчёте принималось, что удерживающая сила была достаточной, чтобы это положение осталось неизменным. По данным съёмки были учтены смещения нескольких промежуточных звеньев, примыкающих к выходному оголовку трубы. Расчёт давления проводился для одного звена, сопротивление стыков с соседними звеньями в запас устойчивости не учитывалось. Угол трения бетонной подготовки по грунту основания принят равным углу внутреннего трения бетона по глинистому основанию, т.е. φо = 22° (tg22° = 0,4040). Вес звена (принят по ТП равным 10,0 тс с коэффициентом надежности по нагрузке γg = 0,9) – Qзв = 9,0 тс. Сопротивление сдвигу – Т = 3,64 тс/м (при длине звена 1,0 м).

Величина активного бокового давления со стороны оползня при высоте засыпки (по данным топосъёмки) Н = 10,0 м и средней толщине слоя сползшего пылеватого песка 2,0 м, определённая по формуле Тэйлора, составляет Еа = 23,48 тс. С учетом пассивного давления грунта за

297

трубой, равного Е = 12,6 тс, определённого для высоты засыпки 4,0 м суммарное сдвиговое усилие составляет Еа – Т – Ер = 7,24 тс. Это означает, что оползневое давление вызвало горизонтальное боковое смещение звеньев трубы, в результате которого разошлись стыки и произошла суффозия грунта внутрь трубы, засыпавшего её поперечное сечение.

Наоснове проведенногоанализа можно сделать следующие выводы:

1.Наиболее вероятной причиной образования оползневых явлений является подтопление нижней бровки низового откоса, связанное с отсутствием регуляционных сооружений, которые должны были зарегулировать сток речной воды у входного и выходного оголовков и предотвратить размыв откосов. При этом необходимо было в гидрологических расчётах учесть возможный подпор воды в результате разлива р.Тавды в период половодья.

2.Обычно при возведении насыпей из разных по литологическому составу грунтов в местах их контакта выполняется террасирование для исключения сдвиговых смещений. В результате обследования было установлено, что поверхность скольжения проходит по контакту песка

ссуглинком. Вследствие подтопления пылеватого песка, формирующего откос, произошло его водонасыщение, которое привело к разжижению грунта, его растеканию и смещению вниз к подошве земполотна. Это повлекло за собой смещение всего покровного слоя, которое происходило участками вдоль откоса и привело к образованию террас (последующие наблюдения показали, что в настоящее время на верховом склоне в настоящее время также формируются площадки сдвига). Существующие углы заложения откосов земполотна превосходят углы естественного откоса пылеватого песка в замоченном состоянии (по расчёту коэффициенты устойчивости основания на сдвиг и расползание меньше единицы (Ку = 0,7–0,8)).

Список литературы

1.СП 116.13330.2012 (актуализированная редакция СНиП 23-01-99). Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. – М.: Минрегион России, 2012.

2.Маслов Н.Н. Механика грунтов в практике строительства (оползни и борьба с ними). – М.: Стройиздат, 1977. – 320 с.

3.Хуан Я.Х. Устойчивость земляных откосов. – М.: Стройиздат, 1988. – 240 с.

298

4.Лехов М.В. Гидромеханические расчёты оползневых склонов. – М.: Инженерная геология 1989. – С. 46–58.

5.Гинзбург Л.К. Рекомендации по выбору методов расчёта коэффициента устойчивости и оползневого давления. – М.: ЦБНТИ Минмонтажспецстроя СССР, 1986.

Об авторах

Тимофеева Людмила Михайловна (Пермь, Россия) – доктор тех-

нических наук, профессор кафедры «Автомобильные дороги и мосты», Пермский национальный исследовательский политехнический универ-

ситет (e-mail: adfsad@pstu.ru).

Тимофеев Артур Дмитриевич (Пермь, Россия) – магистрант ка-

федры «Автомобильные дороги и мосты», Пермский национальный исследовательский политехнический университет (e-mail: adfsad@pstu.ru).

299

УДК 624.07

ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ДВУТАВРОВОЙ БАЛКИ ПО МАКСИМАЛЬНОМУ ПРОГИБУ

В.А. Ходяков

Белорусский национальный технический университет, Минск, Республика Беларусь

Описывается возможность оптимизации двутавровой балки по второй группе предельных состояний. В частности, рассматривается модель оптимизации высоты двутавра по длине балки. Цель компьютерного эксперимента – уменьшить максимальный прогиб балки при сохранении тех же материалозатрат на производство. Описаны предполагаемые результаты эксперимента.

Ключевые слова: балка, прогиб, оптимизация, двутавр, SOFiSTiK, Grasshopper, Rhinoceros, Karamba.

Проведён эксперимент по оптимизации двутавровой балки переменного сечения с целью минимизации её массы. Граничными условиями были предельные напряжения в сечениях и местная устойчивость полок и стенки балки. По результатам оптимизации (рисунок) для балки пролётом 20 м удалось достичь экономии материала до 36 % в сравнении с сортовым двутавром. Однако при полной оптимизации прогиб балки имел недопустимо высокие значения. Ввиду этого была поставлена новая задача по исследованию эффективного распределения материала по длине мостовой балки с учётом её прогиба.

Рис. Общий вид оптимизированной полигональной двутавровой балки

В сущности, планируется провести три эксперимента. В качестве эталонной балки примем двутавровую балку 100Б1 с пролётом 20 м,

300