777

А.А.Ананенко

0,0033 мм прочность возрастает от 170 до 3460 МПа. Он объяснил это тем, что в нитях имелись микротрещины, которые в тончайших из них были сведены к минимуму.

Эти теории пригодны для решения задач на масштабный фактор, они не могут объяснить влияния на прочность многих технологических факторов, которые не приводят к образованию трещин, но существенно изменяют прочность и деформативность бетона.

Многие задачи прочности бетона, не доступные феноменологическим и статистическим теориям, находят вполне убедительные решения с позиции физических теорий прочности, в которых глубоко изучается структура материала, анализируется физическая сущность поведения материала под нагрузкой, исследуется характер и величина связи между структурными элементами бетона и возможные механизмы нарушения сплошности материала.

Физико-механические свойства цементного камня и заполнителя неодинаковы, разнообразна и форма связи между ними. Кроме того, образование структуры цементного камня сопровождается физико-химическими превращениями, которые существенно отражаются на объемных изменениях в бетоне. Следовательно, структура бетона представляет собой систему, свойства которой подвержены значительному разбросу по прочности и деформативности, механизму трещинообразования и характеру разрушения. Эти характеристики зависят от прочностных и деформативных свойств заполнителя и матрицы, от качества сцепления заполнителя с матрицей, характера распределения заполнителя в объеме бетона, его геометрических и петрографических свойств, деформации усадки матрицы. Сюда же необходимо добавить не упрощающий задачу фактор: уже в начальной стадии загружения бетона матрица испытывает предельные деформации, приводящие к образованию микротрещин.

Свойства матрицы формируются в процессе физико-химических превращений при взаимодействии цемента с водой; наиболее активной зоной этих изменений является адсорбционный и диффузный слои сольватной оболочки, окаймляющие зерна цемента. Здесь в пересыщенном растворе Са(ОН)2 продукты гидролиза компонентов цемента выделяются в виде субмикрокристаллов и по мере роста концентрации их вокруг негидратированных цементных частиц образуют гелевые оболочки. По окончании коллоидации наступает стадия твердения, которая характеризуется контракцией объема геля вокруг цементных зерен. Прочность окаймляющих цементные ядра новообразований (прогидратированной части цемента), по данным С.С. Гордона, достигает 120 МПа.

Сцепление между цементным камнем и заполнителем может достигать 0,5– 0,65 прочности на растяжение цементного камня или раствора и зависит от вида и текстуры поверхности заполнителя и В/Ц.

Важнейшим звеном в обосновании предпосылок физической теории прочности бетона является оценка неоднородности внутреннего поля напряжений, вызываемой различием механических характеристик составляющих бетон материалов и существенно усложняемой деформациями усадки цементного камня. Сочетание столь неоднородных факторов приводит к возникновению внутреннего поля напряжений, распределение которых не подчиняется законам механики сплошных сред.

151

Вестник СГУПСа. Выпуск 16

С начала 60-х гг. объектом особого внимания материаловедов становится новое направление в механике и физике прочности — механика разрушения. В работах Г.И. Баренблатта, Д.Д. Ивлева, В.В. Панасюка, В.З. Партона, Л.И. Слепяна, А. Макклинтона, А. Аргога, Л.М. Качанова и др. приводятся различные направления исследований: совершенствование полуэмпирических теорий; «феноменологические» подходы к описанию процесса разрушения, при которых материал рассматривается как некоторая сплошная среда, но с изменяющимися в процессе накопления повреждений свойствами; исследование зарождения взаимодействия и развития нарушений структуры материала на дислокационном и других уровнях; изучение условия равновесия, развития и взаимодействия макроскопических трещин в телах различной конфигурации, в средах с различными свойствами при фиксированных или изменяющихся нагрузках.

Позднее выходят работы Р.И. Будештского, Ю.В. Зайцева [3, 4], в которых структурная теория прочности бетона обогащается новыми возможностями благодаря интенсивному использованию математических методов исследования.

Если в статистических теориях прочности хрупких тел обычно исходят из гипотезы слабейшего звена, т. е. предполагается последовательное соединение структурных элементов, то в теории прочности зернистых композитов учитывается как последовательное, так и параллельное их соединение.

Модель Будештского позволяет по статистическим характеристикам структурных элементов композита (зерно, матрица и их сцепление) прогнозировать предел прочности образца (на растяжение). Также Р.И. Будештский предложил теорию масштабных эффектов прочности зернистых композитов, рассмотрел геометрию роста магистральной трещины и задачу о прогнозе коэффициента вариации прочности бетона в технологии.

Ю.В. Зайцев, рассматривая материал как твердое тело в виде матрицы с включениями различного размера, с дефектами первого (поры) и второго (трещины) рода на различных уровнях структуры (макро-, мезо-, микро- и субмикроструктура), в процессе исследования образования и развития трещин показал деформирование и разрушение бетона при линейном растяжении (сжатии), а также при многоосном сжатии.

Приведенные выше исследования говорят о возможностях методов механики разрушения при аналитических решениях многих ранее не решаемых задач прочности и деформативности бетонов. Однако считать, что найден «универсальный инструмент» нет оснований. Расчет бетона по-прежнему остается проблемой. «Инструмент» не пригоден также для создания метода проектирования бетонов с заданными физико-механическими свойствами, во-первых, потому, что с его помощью можно оценить качество и предугадать характер поведения материала с уже сформированной структурой. Структура же сложно зависит от состава смеси, технологии ее укладки, условий хранения и других факторов. Она существенно меняется с увеличением возраста, уменьшением или увеличением водосодержания. Во-вторых, до сих пор нет единого мнения о соотношении пластических и хрупких составляющих в процессе трещинообразования бетона, без чего практически не возможен объективный анализ процесса разрушения бетона. И, в-третьих, без учета состава бетона, технологии его изготовления исходная модель материала становится объектом исследования, где можно получать лишь качественные характеристики.

152

А.А.Ананенко

Если упростить систему «бетон» до двухкомпонентного тела — матрицы из цементного камня и заполнителей, — то несущую способность бетона можно записать уравнением

Nб = f(Rз, Rк, Rсц, Ез, Ек, Vз, з, з, к, kз, kк),

где Nб — предельное состояние бетона (пределы прочности и деформативности); Rз, Rк — прочностные характеристики заполнителя и цементного камня (матрицы); Ез, Ек — модули деформации заполнителя и матрицы; Rсц — прочность сцепления заполнителя с матрицей; Vз — объем заполнителя в единице объема бетонного образца; з — геометрическая характеристика заполнителя; з, к — коэффициенты Пуассона заполнителя и матрицы; kз, kк — коэффициенты условий работы заполнителей и матрицы при стесненных деформациях [5, 6].

Совершенно очевидно, что даже в упрощенном представлении физическая теория прочности бетона имеет лишь частные решения, и, следовательно, для бетона до сих пор не существует законченной теории деформирования и разрушения. Физическая теория прочности бетона переживает этап накопления экспериментальных данных, а аналитическое их обобщение носит характер поиска. Удачным приобретением такого поиска можно считать внедрение в исследовательскую и производственную практику вероятностно-статистических концепций анализа и оптимизации инженерных решений в области материаловедения и технологии [7–10]. Но для практической реализации такой концепции требуется огромная подготовительная работа по определению, анализу и оценке прочностных, деформативных, структурных, физико-механических и других характеристик, необходимых для получения уравнения состояния технологической системы, где не известны ни вид функции, ни полный набор факторов, ни законы распределения случайных величин, ни оценка предыстории исследования.

Отсюда очередная (не последняя) учебная проблема строительного материаловедения. При существующем отношении к «устаревшим» экспериментальным исследованиям, реально оцениваемым и реализуемым в условиях лаборатории (практически исчезнувшей), нынешние ученики-материаловеды никогда не станут специалистами-материаловедами, а материалы и изделия будут по непонятным причинам разрушаться вместе с аквапарками, гражданскими зданиями, самолетами и мостами. При этом расчеты на прочность, жесткость и устойчивость будут свидетельствовать о полном соответствии истине перечисленных неравенств, потому что они получены программистами.

Литература

1.Волков С.Д. Статистическая теория прочности. М.; Свердловск, 1960. 176 с.

2.Седракян Л.Г. Элементыстатистическойтеориидеформирования иразрушения хрупких материалов. Ереван, 1968. 247 с.

3.Будештский Р.И.Элементы теориипрочности зернистыхкомпозиционных материалов.

Тбилиси, 1972. 81 с.

4.Зайцев Ю.В. Материаловедение и определение прочности бетона методами механики разрушений. М., 1982. 81 с.

5.Ахвердов И.Н., Смольский А.Е., Скочеляс В.В. Моделирование напряженного состоя-

ния бетона и железобетона. Минск, 1973. 232 с.

6.Ахвердов И.Н. Основы физики бетона. М., 1981. 464 с.

7.ЭВМ и оптимизация композиционных материалов / В.А. Вознесенский, Т.В. Ляшенко, Я.П. Иванов, И.И. Николов. Киев: Будiвельник. 1989. 240 с.

153

Вестник СГУПСа. Выпуск 16

8.Ляшенко Т.В.,ВознесенскийВ.А. Методыкомпьютерногоматериаловеденияпри анализе взаимосвязиреологическихпоказателейкомпозиций//ВiсникДонбас.НАБА.2001.Вып.1(26).

С. 67–74.

9.Баженов Ю.М., Воробьев В.А., Илюхин А.В. Основные подходы к компьютерному материаловедению строительных композитных материалов // Строительные материалы. 2006. № 7. С. 2–4.

10.КондрашенкоВ.И.Применениеметодовкомпьютерногоматериаловедениявбиотехнических исследованиях // Строительные материалы. 2006. № 7. С. 19–23.

154

Вестник СГУПСа. Выпуск 16

ТкаченкоВикторЯковлевичродилсяв1932 г.Докторэкономи-

ческих наук, профессор,академик РАТ, почетный транспортный строитель, почетныйработник транспортаРФ.В1951 г. окончил Актюбинский техникум путей сообщения, в 1956 г. — НИИЖТ. Несколько лет работал на изысканиях и проектировании железных дорог:Абакан—Тайшет, подходыкКрасноярскойГЭСидр.Окончил аспирантуруприЛИИЖТе(кандидаттехническихнаук).Более30лет заведоваллабораториейэкономикииорганизациитранспортного строительства в Сибирском филиале ЦНИИСМинтрансстроя. Участвовалвобеспечениинаучногосопровожденияпроектированияи строительствабольшинствакрупныхжелезнодорожныхновостроек, включаяБАМ, АЯМ,Тюмень—Сургут—Уренгой идр. Около трех лет заведовалкафедройТОЭССГУПСа.Подготовил10кандидатовнаук.

Авторисоавтор19монографий,16нормативно-методическихдокументов,15учебно-методичес- кихработидр.,всегоболее200печатныхработ.

УДК 338.47

В.Я. ТКАЧЕНКО

ФОРМИРОВАНИЕ ОПОРНОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ АЗИАТСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ И ПРОГРАММА «КОСМОС — ЗЕМЛЕ»

Дана постановка задачи формирования опорной транспортной сети восточного суперрегиона России, предложена опорная схема железных дорог азиатской части России, обоснована приоритетность строительства Северо-Российского транспортного коридора, и показано использование программы «Космос — Земле» в решении транспортной проблемы.

1. Необходимость и принципы формирования опорной транспортной сети

Азиатская часть России севернее Транссибирской магистрали составляет стратегический ресурс российской государственности, развития российской экономики и эффективной интеграции страны и всего суперрегиона в мирохозяйственные процессы [1]. Глобализация как концепция дальнейшего развития мирохозяйственных процессов уже захватила Россию. Задача состоит в том, чтобы эффективно с позиции национальных интересов в нее «вписаться».

Специфика восточного суперрегиона состоит, с одной стороны, в наличии ресурсного потенциала мирового значения и, с другой стороны, в слабой его заселенности, обширности территории и неразвитости транспортной инфраструктуры. Важной особенностью региона является также географическая близость к бурно развивающимся и густонаселенным странам Азиатско-Тихоо- кеанского региона, которая может иметь неоднозначные последствия для российской государственности, прочность которой неоднократно испытывалась в последние полтора столетия.

Генеральное направление действий видится в разработке базовой концепции, а также долговременной стратегии и программ хозяйственного освоения восточных территорий на основе опережающего строительства путей сообщения, поэтапного развития транспортной инфраструктуры в целом. То, что все виды транспорта должны работать согласованно, взаимоувязанно, как единый транспортный механизм в социально-экономическом организме страны, отдельного региона и экономически взаимодействующих регионов, является аксиомой. Из этого следует, что необходимо иметь эффективную транспортную систему

136

В.Я.Ткаченко

экономического пространства. Главная задача состоит в следующем: разработать долговременную генеральную схему формирования и развития единой транспортной системы азиатской части России (ЕТС), увязанную по временным горизонтам с перспективой развития экономического полигона восточных регионов и транспортной системой страны.

Внастоящей статье речь пойдет о сухопутной транспортной сети и, прежде всего, об опорной сети железных дорог.

Мировой опыт, и в частности отечественный опыт строительства Транссиба, свидетельствует, что железные дороги создают условия для быстрого экономического развития территорий, повышают их привлекательность для энергичных, пассионарных людей, способствуют динамичному переселенческому движению

вновые районы, но требуют государственной поддержки и проведения специальной политики [2]. Разработчики транспортной стратегии РФ, кстати, исходят из того, что железнодорожный транспорт общего пользования останется ведущим звеном транспортной системы России [3]. Железнодорожные перевозки и в долгосрочной перспективе останутся самым эффективным способом транспортировки стабильных потоков массовых грузов на средние и дальние расстояния.

Впоисках лучшего подхода обратимся к историческому опыту, к ретроспективе формирования и развития транспортных систем [2, 4].

Содержательно ЕТС не остается на месте. Она динамична, постоянно развивается и трансформируется. Возьмем Россию:

• до 60–70-х гг. XIX в. она была водно-гужевой;

• к началу XX в. она, по магистральным видам транспорта, превратилась в железнодорожно-водную, где гужевой транспорт как бы обслуживал, дополнял водные и железнодорожные пути;

• последние 60 лет Россия стала политранспортной, увеличилось количество автомобильных, трубопроводных, воздушных и электронных коммуникаций.

Такая последовательность формирования и развития ЕТС свойственна и другим странам. Но в передовых странах по известным причинам преобразование и развитие ЕТС происходило более динамично (мы отставали на десятилетия), опорная сеть путей сообщения (например, железных дорог в США) покрывала всю территорию страны и позволяла включать в сферу экономического освоения все ее природные ресурсы. А территории азиатской части России севернее Транссиба до сих пор остаются экономически слабо освоенными. Зато бульшая часть железнодорожной сети, построенной при советской власти, и большинство морских портов (2/3 портомощностей) «подарены» странам СНГ.

Вчем основные причины этого и как со временем можно было бы исправить положение?

Быстрое формирование железнодорожной и автодорожной сетей в США происходило благодаря государственному стимулированию интересов инвесторов, предпринимателей. Строителям путей сообщения на определенное время давалось концессионное право на хозяйственное освоение прилегающих территорий и природных ресурсов [2].

Сейчас по инвестиционной привлекательности восточные регионы (кроме нефтегазовых территорий Западной Сибири) проигрывают Европейской России [6]. И основная причина этого состоит в слабом развитии транспортной

137

Вестник СГУПСа. Выпуск 16

инфраструктуры. Через транспорт можно повысить рейтинг северных и восточных территорий и их инвестиционную привлекательность для отечественного и зарубежного капитала.

Отметим, что за все годы советской власти, и тем более в перестроечный период, генеральная схема ЕТС страны на государственном уровне не разрабатывалась. В 70-е гг. прошлого столетия академиком А.В. Черским была предпринята попытка организовать разработку генеральной схемы ЕТС Севера РСФСР. Но она не была утверждена в Правительстве и осталась нереализованной.

Представляется, что генеральная схема должна иметь иерархическое построение. На первом этапе должна быть обоснована опорная сеть транспортных и иных коммуникаций. Понятно, что она должна согласовываться с развитием опорной транспортной сети России (ОТС) и учитывать потребности в транспортном обслуживании интеграционных процессов Сибири и Дальнего Востока в российской и мировой экономике. Разработка генеральной схемы должна стабильно финансироваться.

Генеральную схему, но уже по отдельным регионам и федеральным округам, следует дополнить территориальными схемами развития путей сообщения и низовой транспортной сети. Эти схемы должны разрабатываться на различные горизонты прогноза и плановые сроки.

Последующие планы и программы транспортного строительства и модернизации коммуникационных систем должны осуществляться в соответствии с генеральной и территориальными схемами ЕТС и, при необходимости, корректироваться.

Следующая серия задач связана с порядком (правилами) последовательного формирования ЕТС для различных территорий и ресурсных провинций региона. Они будут определяться расположением, видами и состоянием опорных путей сообщения (судоходные реки, Северный морской путь, портово-причаль- ная инфраструктура, железные и автомобильные дороги, аэропорты, трубопроводы и др.). Здесь предстоит выполнить большой объем модельных вариантных разработок логистического характера, в том числе с учетом различных сценариев развития экономики регионов и страны.

К настоящему времени Транспортная стратегия РФ разработана и реализуется [3]. Какой же путь развития железнодорожного транспорта определен в ней? Напомним прежде, что транспорт, как инфраструктурная составляющая экономики, формирует необходимые условия эффективного функционирования производства, превышающего его по объему реализации, как минимум, в 6–8 раз, а отечественный опыт МПС последних 120 лет и современный зарубежный опыт свидетельствуют, что развитие транспортной инфраструктуры обычно поддерживалось государственным финансированием [2, 4].

В Транспортной стратегии РФ развитие железнодорожного транспорта рассматривается через призму структурной реформы отрасли, по существу как процесс решения прежде всего своих внутренних, корпоративных задач. Понятно, что при всей прогрессивности структурной реформы отрасли, ее рыночные, коммерческие цели (и критерии) будут преобладать над общегосударственными. Таким образом, явно обозначено переложение задач общехозяйственного уровня на уровень отрасли. Механизм обратного воздействия в стратегии пока не прописан, хотя и обозначен в более поздних выступлениях Президента. Это не может не отразиться на дальнейшем развитии железных дорог.

138

В.Я.Ткаченко

Итак, для азиатской части России, большая часть территории которой является транспортно-недоступной либо труднодоступной, важнейшей задачей является формирование опорной транспортной сети. Это хорошо понимали еще в дореволюционной России. После прокладки Транссиба (Великого сибирского пути) в МПС и в государственных структурах окончательно утвердился тезис опережающего строительства железных дорог для осуществления «хозяйственной разгонки» новых территорий. В советское время реализовывались, по существу, идеи строительства широтных магистралей южнее Транссиба и подъездов к нему, отвечающих концепции «сверхмагистрализации» [2]. До создания полномасштабной опорной транспортной сети севернее Транссиба у государства «не дошли руки». В результате при распаде СССР оно осталось, по существу, с тем же единственным трансконтинентальным широтным Транссибом, что и в начале прошлого века.

2.Об опорной сети железных дорог в азиатской части России

ВТранспортной стратегии РФ особое внимание уделяется формированию и развитию опорной сети транспортных коридоров — международных и национальных. Положение сухопутных коридоров определяется прежде всего железными дорогами, обеспечивающими массовые перевозки на большие и средние расстояния.

Современный взгляд на формирование ОТС состоит в следующем [1, 2, 4]. Наиболее целесообразной считается сеть в виде транспортной решетки, обеспечивающей надежное и «гибкое» обслуживание транспортных потоков. ОТС формируется с учетом расположения существующих и перспективных интегрированных производственно-транспортных зон (ИПТЗ)* и, на пересечении путей сообщения, транспортно-логистических центров.

Общее представление об опорной сети железных дорог будущего в азиатской части России (и соседних территориях) дает предлагаемая ниже схема. Она разработана СГУПСом совместно с ИЭОПП СО РАН [4, 5, 6].

Вотдаленной перспективе ОТС видится состоящей из ряда широтных магистралей и меридиональных линий. Широтные магистрали (транспортные коридоры) призваны обеспечивать национальные, трансконтинентальные евроазиатские и, вероятно, межконтинентальные (Америка—Евразия) связи по северо-восточному ребру геостратегического треугольника (страны NAFT — ATP — Европы). Этим интересам будут отвечать:

• Северо-Российский транспортный коридор — от Баренцева моря до Тихого океана, включая БАМ и выход в Японию через Сахалин;

• Приполярная магистраль с примерным «маршрутом» Салехард—Игар- ка—Тутончаны—Мирный—Якутск;

• Беринговская магистраль — от Якутска до Берингова пролива для связи

сСевероамериканским континентом и с выходами к тихоокеанским и северным портам;

• Арктическая магистраль.

* В прошлом— территориально-производственныхкомплексов(ТПК).

139

Вестник СГУПСа. Выпуск 16

Опорная транспортная сеть Севера и азиатской части России в XXI в.

140

В.Я.Ткаченко

Условные обозначения на схеме

— действующие ж.-д. магистрали и коридоры ОТС 1 — Транссибирский коридор (1' — через КНДР)

2— Байкало-Амурская ж.-д. магистраль

3—ж.-д. магистраль«Тюменский меридиан»

4— Турксиб

5— ТРАСЕКА

— перспективные ж.-д. магистрали и коридоры ОТС 2, 6,7, 8— Северо-Российскийевразийский коридор«Баренцево море—Сахалин»

10— Амуро-Якутскаямагистраль (АЯМ)

11— Полярнаяж.-д.магистраль

12— Урал-Промышленный—Урал-Полярный

13— Беринговскийкоридор

14— Транскорейскаяжелезнодорожнаямагистраль

15— Трансказахстанская железнодорожнаямагистраль(колеи1485 мм)

16— Усть-Кут—Мирный

17— Ангаро-Енисейскаямагистраль

— железные дороги далекой перспективы и морские пути 18 — Северный морской путь

19— Северо-Восточный проход

20— Арктическая ж.-д. магистраль

— будущие дороги к ресурсам, портам и прочие пути 21 — железная дорога к Магадану

22— Камчатская ж. д.

23— другие пути

Меридианальные линии будут призваны связывать между собой широтные магистрали, формируя транспортную решетку. Это также могут быть дороги к ресурсам, выходы в соседние страны, обходы российско-казахстанской границы и т.п. К меридианальным можно отнести железные дороги по восточному склону УральскогохребтаотЯмаладоИвделя, Тайшет—Ангара—Тутончаны,Усть-Кут— Мирный, новое соединение Транссиба и БАМа, Транскорейскую дорогу, железную дорогу в Тыву и др. Завершается строительство АЯМ и Белкомура. Будут усиливаться подходы к морским портам и пограничным пунктам.

3. О приоритетности проекта создания Северо-Российского транспортного коридора

Масштабность подхода и государственное видение транспортной проблемы предшествующими поколениями хорошо иллюстрирует пятилетний план (1917– 1922 гг.) нового железнодорожного строительства [2, 4]. Концепция плана опиралась на признание необходимости развертывания нового строительства в темпах, объемах и масштабах, опережающих процесс расширения территориальных границ интенсивного роста промышленного и аграрного производства. Фронт нового строительства планировалось сместить в восточные и северные районы. Западную Сибирь на юге и севере должны были пересечь широтные

141