Автореферат Тулебаева К.Р.


УДК  666.972.162:699.842                                               На правах  рукописи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТУЛЕБАЕВ  КОПСЕКБАЙ  РАТКУЛОВИЧ

 

 

Теоретические основы  расчета конструкции защитных

сооружений дорог и прогнозные оценки

 опасности горных  природных явлений

 

 

 

 

 

 

05.26.02 – Безопасность в чрезвычайных ситуациях

 

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

 доктора технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

                                                    Алматы, 2009г.

Работа выполнена в Казахской  академии транспорта и коммуникаций

им. М.Тынышпаева

 

 

 

Научный консультант:                      доктор технических наук

                                                             Байнатов Ж.Б.

 

Официальные оппоненты:                      доктор технических наук,

                                                                   профессор, Т. Калыбеков

                                                                               

                                                                   доктор технических наук

                                                                   М.Б. Кошумбаев

                                                                                

                                                                   доктор технических наук,

                                                                   Т.Д. Абаканов

 

Ведущая организация:             Алматинский институт энергетики и связи                                                                                                                           

                                                          

                                                            

           Защита диссертации состоится «01» июля 2009г. в 14-30 часов на заседании диссертационного совета Д. 14.61.25 при Казахском национальном техническом университете им. К.И.Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. К.И.Сатпаева, 22 в конференц-зале НК (1-этаж).

 

 

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета им. К.И.Сатпаева по адресу: 050013, г. Алматы, ул. К.И.Сатпаева, 22.

 

 

 

 

Автореферат разослан  «__31__»_мая_______2009г.

 

 

 

 

 

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета                                              Жараспаев М.Т.

Введение

 

Общая характеристика работы.  Освоение горных районов Республики Казахстан требует круглогодичного бесперебойного движения транспорта по горным дорогам. Но развитие дорожной сети в горных районах затрудняется рядом неблагоприятных условий, таких, как селевые потоки, снежные лавины и оползни.

Обеспечение защиты железных дорог от селевых потоков, снежных заносов и лавин должно предусматриваться  при изысканиях и проектировании железных дорог. Чтобы осуществить этот учет необходимо знание способов  выявления селеопасных, снегозаносимых и лавиноопасных территорий, закономерности взаимодействия селевого потока, снега и лавин с различными типами защитных устройств, методы предотвращения образования селевых потоков, снежных заносов и сходов лавин, и искусственного их вызывания, сферы экономически целесообразного применения различных селезащитных, снегозащитных, противолавинных, устройств и мероприятий.

     До последнего времени на железных и автомобильных дорогах все эти вопросы были изучены совершенно недостаточно. Наименее разработаны способы выявления лавиноопасных территорий, способы оценки воздействия лавин на защитные сооружения, методика выбора противолавинных устройств и мероприятий.

     Следствием слабой разработки теории этих вопросов явилось отсутствие инструктивных материалов по проектированию защиты железных  дорог от селевых потоков, лавин и оползней.

В диссертационной работе предлагаются научно обоснованные прогнозные оценки схода лавин, оползней и селевых потоков в зависимости от инженерно-геологических, гидрогеологических и сейсмических данных региона и рекомендуется соответствующие конструктивные меры защиты, которые обеспечивают полную безопасность с заданным уровнем надежности. Разработаны методы расчета, различные виды защитных сооружений и многие положения диссертации подвержены экспериментальными данными, обследованиями и наблюдениями автора и других исследователей.

Актуальность работы.  

В программе развития Государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (ЧС) на 2004-2010 годы (Постановление Правительства РК № 1383 от 31.12.03г.) намечено совершенствование системы путем разработки и внедрения новых методов и технологии защиты населения и территории.

Новые методы и технологии защиты должны создаваться на основе комплексного подхода к защитным мероприятиям и детального изучения поведения аномальных явлений. Должны пересмотреться широко внедренные защитные и регуляционные сооружения на предмет их надежности, экономичности, экологичности и эстетичности.

 

Кроме того, ряд сооружений эксплуатируются уже более 30-40 лет, они изношены и частично разрушены, и здесь необходимо разработать методы их восстановления и усиления. Все это требует разработки не только теоретических и экспериментальных исследований, но и практических решений.

Основными мероприятиями по защите дорог от горных опасных явлений считается строительство галерей, однако во многих случаях защиту можно обеспечить с минимальными затратами и при помощи облегченных защитных сооружений, сконцентрированных с учетом особенностей поведения селевых потоков, лавин, оползней и морфологии горной местности.

Этот путь достигается на основе анализа работы эксплуатируемых сооружений и созданием научно обоснованных надежных комплексных мер защиты.

Наиболее сложная задача для науки в области инженерной защиты территорий заключается в том, как прогнозировать приближение опасности и какие меры принимать для снижения риска стихийных бедствий. При научном обоснованном подходе к решению этих проблем можно сэкономить огромные материальные средства,  улучшить экологию, а главное сохранить жизнь людей.

Цель работы заключается в обеспечении безопасности людей и материальных средств при возникновении аномальных горных явлений путем разработки новых конструкций, теоретических методов расчета защитных сооружений, вероятностно-прогнозной оценке схода лавин, оползней и в экспериментальной проверке напряженно-деформированного состояния элементов сооружений, а также в определении давления селевых потоков, лавин и оползней.

Задачи исследования:

- обоснование эффективности размещения защитных сооружений вдоль русла, обеспечивающее безопасность населенных пунктов, дорог и экологии окружающей среды;

- разработка конструкций защитных сооружений, усиления и  повышения несущей способности сооружений,  усовершенствование расчетных формул для определения силы удара селевых потоков, снежных лавин и оползней;

- разработка теории давления связного грунта на сплошные стены защитных сооружений методами строительной механики сыпучих тел;

- разработка методики вероятностной оценки устойчивости склонов с учетом сейсмичности региона;

- разработка измерительных  и селе, лавино-оползнеформирующих устройств в условиях лабораторных экспериментов;

- экспериментальные обоснования давления селевых потоков, выявления несущей способности защитных сооружений и эффективности работы грунтоудерживающих сооружений;

- разработка методики оценки надежности и экономической эффективности защитных сооружений с учетом вероятности повреждений элементов, и нарушений условий эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны и систематизированы защитные мероприятия исходя из вероятностных оценок катастрофичности зоны, позволяющие выбрать соответствующие защитные сооружения, обеспечивающие безопасность людей и окружающей среды;

- усовершенствована методика прогнозирования схода оползней на основе метода оползневого потенциала, с учетом сейсмичности региона;

- предложены способы восстановления и усиления эксплуатируемых и вновь проектируемых защитных сооружений введением в их структуры ядра жесткости и соответственно разработаны аналитические и численные методы расчетов;

- разработаны формулы для определения давления потоков на элементы сквозных сооружений с учетом коэффициента динамичности, податливости опор, соотношения жесткостей балок и стоек;

- на основе теории риска разработана методика, позволяющая прогнозировать вероятностную меру опасности из-за возможных потерь несущих способностей во время длительной эксплуатации;

- разработана теория определения давления связного грунта на сооружение на основе теории сыпучих тел и вариационного принципа Лагранжа;

- разработаны и усовершенствованы  различные типы селе и лавино- защитных сооружений, повышающие эффективности на удар за счет изменения конфигурации элементов и податливости узлов;

- для обеспечения устойчивости склона от сползания предложены различные конструкции укрепления грунта в виде многоярусных подземных рам и надземных решетчатых плит;

- экспериментально установлены: характер изменения эпюры давления селевого потока на жесткие преграды; схемы образования пластических шарниров в сборных арочных  сооружениях; эффективность применения рамно-свайного грунтоудерживающего сооружения и влияние трения на сдвиг;

Новизна и существенные отличия всех типов разработанных автором конструкций защитных сооружений, установок и устройств, предназначенных для изучения характеристики лавин, селевых потоков и оползней подтверждены 21 авторскими свидетельствами и патентами СССР, РК и РФ.

Научные положения выносимые на защиту:

  - концепция обеспечения безопасной обстановки в обитаемой среде при чрезвычайных ситуациях за счет усовершенствования конструкций защитных сооружений и уточнение их расчетных схем, научно обоснованного прогноза схода оползней, снежных лавин и селевых потоков;

- аналитические, численные, кинематические и вероятностные  методы расчетов стержневых и арочных сквозных защитных сооружений на статические, динамические и сейсмические воздействия;

- новые способы повышения пространственной жесткости сооружения и несущей способности элементов путем введения в структуру системы ядра жесткости,  неразрезных пролетов и  изменения профиля поперечного сечения балок;

- экономические оценки эффективности защитных мероприятий с заданной обеспеченностью и с учетом вероятности повреждения элементов, а также нарушения условий эксплуатации;

- теоретические и экспериментальные методы определения давления селевых потоков и несущей способности сооружения;

- оценка устойчивости откосов от сползания на основе кинематического метода и принципа возможных перемещений Лагранжа с учетом сейсмичности региона.

Практическая ценность состоит в доведении всех теоретических положений  диссертации до практических примеров, что открывает доступность методики проектировщикам, а разработанная программа позволяет более рациональному расположению элементов в структуре системы, назначению геометрических размеров конструкции всего сооружения.

Установленные катастрофические параметры селеносного русла позволяют научно обоснованно размещать сооружения вдоль русла. Расчет по теории риска на основе априорных данных позволяет найти правильное решение, обеспечивающее безопасность сооружений с вероятностью 0,95.

Усовершенствованная формула для определения силы удара селевых потоков учитывает податливость опор и соотношение жесткостей элементов. В результате более обоснованно подбираются профиль сечения и размеры поперечного сечения элементов, назначается сквозность, что способствует  повышению эксплутационной надежности сооружения.

Усовершенствованная методика прогноза схода оползней с учетом сейсмичности грунтов позволяет оценить параметры общей устойчивости склонов и обоснованно назначить комплексные защитные  мероприятия.

Теоретически и экспериментально установленная безопасная крутизна склона  позволяет реально определить глубину и частоту расположения грунто-удерживающих свай. Предложенное прямоугольное поперечное сечение сваи повышает устойчивость грунтового массива смещению за счет сопротивляемости обтекания.

Реализация работы. Результаты исследования внедрены в практику строительства и эксплуатации горных автомобильных и железных дорог как защитные сооружения в ГУ «Казселезащита». Разработаны  рекомендации: «Рекомендации к расчету балок круглого поперечного сечения селезащитных сооружений сквозного типа», «Новые конструкции и методы расчета противооползневых сооружений»,  «Рекомендации по расчету и усилению проектируемых и эксплуатируемых селесооружений» и  «Рекомендации по

  прогнозированию катастрофичности селевых потоков и схода оползней», которые используются ГУ «Казселезащитой»  и Департаментом ЧС г. Алматы. Вероятностные и графоаналитические методы расчетов и учебное пособие по аномальным явлениям и защитным сооружениям  используются в читаемых курсах КазАТК им. Тынышпаева, КазГАСА  и ЦАУ.

Результаты исследования такие, как прогнозные оценки, методы расчетов и новые конструкции защитных сооружений переданы для внедрения в практику строительства и эксплуатации, ПИ «Алматыгипрогор-1», ГУ «Казселезащита», Департамент по ЧС в г. Алматы и в Комитет развития транспортной инфраструктуры РК для использования при защите дорог и ответственных объектов.

При выполнении научно-исследовательской работы «Разработка технологии, обеспечивающей безопасность людей, проживающих в многоэтажных  домах в сейсмоопасных районах» (№ госрегистрации 0103 РК 00124, инв. № 0206 РК 00124, 2005) (по заказу МОиН РК)  использованы методики автора применяемые  для установления резервов прочности по кинематической теории.

Научно-техническая разработка «Защита транспортных дорог и магистральных газонефтепроводов от снежных лавин, селевых потоков и оползней» включен в каталоги инновационных проектов, предлагаемых для внедрения на железнодорожном транспорте РК (г. Алматы, 2005 г, 2006 и 2008г.г.).

     Апробация работы.  Основные положения работы доложены на научно-технических конференциях КазГАСА (1991, 1999, 2000г.г.), КазАТК (1998, 2005, 2006, 2008г.г.) и на конференции молодых ученых и специалистов в области сейсмостойкого строительства (Алматы, 2008г.).

     Полученные в диссертационной работе результаты докладывались и обсуждались на следующих международных и республиканских конференциях: Международная конференция «Наука и образование-97», посвященного 1500-летию Туркестана и 60-летию института (г. Шымкент, 1997г.); Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог».  КазАТК имени М.Тынышпаева (г. Алматы, 1998 и 2005 г.г.); Международная конференция «Качество и безопасность строительства: диалог по вопросам технического регулирования и стандартизации». («КазГОР» г. Алматы, 2006г.); Международная конференция «Суверенный Казахстан:  прошлое,  настоящее  и   будущее».    ЦАУ  (г. Алматы, 2006, 2007г.г.); Четвертая и Пятая Международные конференции «Транспорт  Евразии XXI века», КазАТК им. М.Тынышпаева, (г. Алматы, 2006г.).

     Публикация. Основные результаты опубликованы в 72 работах, из них  одно учебное пособие (Алматы), один каталог паспортов защитных сооружений (Москва), 49 статьи (из них 3 в зарубежных изданиях) и 21 авторских свидетельств и патентов СССР, РФ, РК. Кроме того,  первоначальные      материалы      диссертации     использованы    в    научно-

 

техническом отчете, выполненный в составе Всесоюзной целевой комплексной программы ГКНТ СССР, Г-13 при участии автора. 

    Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав с выводами, общих выводов и приложений.  Текстовая часть изложена на 297 страницах, содержит 43 таблицы, 124 рисунка. Список использованной литературы включает 148 наименований, в том числе 3 иностранных, приложения на 29 стр.

     Диссертационная работа является результатом исследований за более чем 20-летний период, проведенных автором на кафедрах «Строительство транспортных сооружений» Казахской академии транспорта и коммуникаций (КазАТК) им. Тынышпаева, «Строительные конструкции» и «Строительная механика» Казахской Государственной архитектурно-строительной академии (КазГАСА), а также в проектных организациях г. Алматы за период 1983-2008 гг. под руководством научного консультанта, доктора технических наук, академика Национальной Инженерной Академии Республики Казахстан Байнатова Ж.Б.

 

Основная часть

Выбор направления исследования обусловлен необходимостью дальнейшего развития и совершенствования прогнозных оценок безопасности и конструктивных методов защиты населенных пунктов и дорог от горных опасных явлений, таких, как селевые потоки, снежные лавины и оползни. Известные методы прогноза и конструктивной защиты не в полной мере отвечает современным требованиям экономики, экологии и безопасности защищаемых объектов. Поэтому в работе предлагается комплексный подход защиты с использованием конструктивного подхода  вероятностных методов, многофакторного анализа, теории предельного равновесия, строительной механики сыпучих тел  и экспериментальных исследований. Практическая реализация предложенных методов оценки, расчета и усиления,  и программный расчетный комплекс существенно повышают безопасность защищаемых объектов, улучшает методику прогнозной оценки опасности и систематизирует принцип размещения сооружения в зависимости от мощности воздействий и рельефа местности.

Во введении содержатся основные исходные данные для разработки темы диссертации, обосновывается ее актуальность, определяется цель и задачи исследований, научная новизна и практическая ценность, приводятся данные о внедрении ряда полученных результатов в практику проектирования и в учебный процесс.

 

1. Опасные природные явления и анализ работы существующих

защитных сооружений

     Дан анализ последствий опасных природных явлений и обзор теоретических и экспериментальных исследований по вопросам расчета конструкций, защиты объектов и прогноза последствий селевых потоков, снежных лавин и оползней  применительно к горным объектам и дорогам.

 

Проблемами механики селевых потоков, снежных лавин и защитными сооружениями занимались М.С.Гагошидзе, В.И. Тевзадзе, И.И. Херхеулидзе (Грузия); С.М. Флейшман, Н.С.Дюрнбаум, Ю.В.Виноградов, Г.К.Тушинский, К.С.Лосев, А.К.Дюнин (Россия) Б.С.Степанов, Э.П.Исаенко, Ж.Б.Байнатов, А.И.Квасов, И.В.Северский (Казахстан); и др. Из зарубежных исследователей следует отметить П.Демонце (Франция), Н.Штини (Австрия), С.Лути (Швейцария), Р.Р. Карри (США), С.Росича (Югославия), Т.Такахаши, С.Окуда (Япония) и других специалистов, изучавших селевые потоки и предложивших оригинальные расчетные схемы их движения и экспериментальных материалов.

Отмечается весомый вклад Кулона, Понселе, Ребхана, И.В.Прокофьева, С.С. Голушкевича, Н.К. Снитко  и др. при определении давления грунта.

В I-главе детально анализированы все известные формулы определения давления селевых потоков, снежных лавин и оползней и результаты представлены для наглядного сравнения в виде таблиц и  графиков. Например (рис.1), при скорости селевого потока 18 м/сек разница в определении давления потока по различным формулам составляет до трех раз и больше, а  до 10м/сек результаты более и менее близкие.

Рисунок 1. Зависимости динамических воздействий потока

на преграду от его скорости движения.

 

Анализируя полученные результаты, отметим, что в действительности сквозные рамные сооружения (при отсутствии ядра жесткости) имеют большую податливость, что занижает ударную нагрузку, но однако чрезмерная податливость и разброс жесткостей несущих элементов ускоряет процесс разрушения.

По этой причине поставлена цель регулировать соотношение жесткостей стоек и балок рамной системы, а податливость всего сооружения учитывать  коэффициентом динамичности.

В результате усовершенствована и получена формула

 

                                        ,                                                (1)

где К – коэффициент сквозности, устанавливаемый по рекомендации ГрузНИИГиМ,  - средняя плотность селевой массы в т/м3; - ускорение свободного падения в т/м2;  - скорость движения селевого потока (камня) в момент взаимодействия с сооружением в м/с; - коэффициент динамичности конструкции сооружения; n – соотношения жесткостей стоек и балок            .

Отличие предложенной формулы (1) от известных формул И.И.Херхеулидзе, Д.В.Бичиашвили, Избаша и Халдре, ГрузНИИГиМ и Фурукава (Япония) состоит в том, что при постоянной скорости селевого потока для каждого типа сооружения меняется значение ударной нагрузки. Это связано с податливостью элементов сооружения. В работе податливость элементов учитывается через коэффициент динамичности.

Далее анализируется методы расчета сквозных сооружений разработанные в ГрузНИИГиМ, КазГАСА и Казгидропроекта, предложенные  ими расчетные схемы в упругой стадии  работы трудоемкие и не в полной мере соответствуют в реальности. По этой причине нами предложены более точные методы расчета с учетом упруго-пластической стадии для отдельных элементов и для всего сооружения по рамно-связевой схеме.

Анализированы особенности и выявлены недостатки  определения давления сыпучих грунтов по теории Кулона. На основе  вариационного принципа Лагранжа  нами определены давления связных грунтов. Приводятся некоторые сведения о широко внедренных конструкциях противолавинных и противооползневых сооружений.

 

2. Прогнозирования катастрофичности селевых потоков и методы расчета новых селезащитных сооружений

 Исследование основных параметров селеносного русла р. Большая Алматинка и самого потока позволяет сделать заключение, что любое селеносное русло должно характеризоваться обобщающим показателем. Этот показатель должен быть производным для всех других основных параметров селеносного русла и потока, т.е. этот показатель зависит от всех измеренных и документированных характеристик селя и параметров русла. Поэтому  вводится условный показатель катастрофичности Пк, рассчитываемый с использованием всех известных параметров прошедшего селя по Большой Алматинке в 1977 г.,  а также для других селей с использованием мировых данных о селях. Результаты расчетов сведены в табл. 2.2, 2.3 диссертации и отражены  на рис. 2, а.

     Во время активного действия селя может быть определен ряд поддающихся измерениям характеристик такие, как скорость, ширина, время нарастания и угасания и другие. После полного прекращения селя можно измерить и оценить такие параметры, как: глубину участков русла, живое сечение, диаметры отложенных фракций, расчетные расходы селя через створы, уклоны и много других.  И чем больше будет измерено и задокументировано различных характеристик селя, тем полнее будет представлен многофакторный процесс развития и угасания потока с богатой русловой и на конусе выноса информацией.

          Расчеты выполнены с использованием многофакторного равенства

 

                =/                                   (2)

 

где - - скорость движения селя, м/с; - глубина селевого потока, м;

- максимальная сила удара потока, т/м2; - диаметр крупных твердых включений, м; - средний уклон дна русла участка, %; - доля твердого материала в объеме потока, %;  - минимальный и максимальный удельные веса потока; - ширина потока, м; - вязкость потока, Пуаз – г/см·с т/м3; Dmax – поперечник самого  крупного твердого составляющего потока, м.

     В числитель равенства занесены параметры, явно усиливающие разрушающие способности селевого потока, то есть показатель катастрофичности. В знаменателе записываются параметры, понижающие разрушительные способности потока. Среди последних ширина потока «в», вязкость , поперечник Dmax самых крупных твердых составляющих являются носителями понижающих факторов селя, а доля твердого материала в потоке Сmin в отношении к максимальному Сmax, т.е. /

и отношение удельных весов записаны в знаменателе, как составляющие максимумов. Чем меньшее значение имеет такое отношение в знаменателе равенства, тем сильнее усиливающее влияние этих параметров на катастрофичность селевого потока, так как при приближении  отношений

/ и  к единице селевая смесь приблизилась бы к смеси лишь твердых фракций, не способных двигаться и переносить энергию без воды.

 

              Рисунок 2. – Показатель катастрофичности (Пк) селевого потока на

различных участках русла реки Большая Алматинка (а) и

различные степени мощности селевых потоков (б)

 

      Например, в начале участка I на протяжении 2,4 км селевой поток характеризуется малой величиной Пк., поскольку к концу этого участка поток усиливается постепенно. До отметки 3,2 км Пк резко возрастает до своего максимума, принятого за 100%. От этой отметки до 6,2 км от очага наблюдается понижение Пк до 50%. Затем к концу участка I на расстоянии 7,6 км показатель катастрофичности достигает второго максимального значения – 90%. После этой отметки Пк понижается до 28% в начале участка II и имеет дальнейшую тенденцию к понижению до 23% на отметке 10 км и до 4% при 12,4 км. К середине участка II, показатель Пк принимает значения 7-5% на расстоянии от 12 до 16 км, после чего на конце II-го и на всем III- участке русла до 29 км от очага, значение катастрофичности Пк не превышает 5%.

     На рис. 2,б отражены различные степени мощности селевых потоков на основе оценки ударных нагрузок на преграду, перпендикулярную скорости, а также носителя признака катастрофичности: произведения На рисунке видно, что селевые потоки  относятся: с глубиной  до двух метров и оказывающие ударные нагрузки на преграду в пределах до 7 т/м2 – к слабым, при пределах  до 12 т/м2 и  до 2,5 м – к сильным, при пределах Р до 30 т/м2 и выше, и  до 10 м и выше – к катастрофическим.

При известной скорости из рис. 3 находим средний размер камня 1,7 м, соответственно площадь эквивалентного круга

 

1 – кривая, полученная Н.С.Дюрнбаумом, 2 – то же Срибным,

3 – зона разброса данных по расчетным схемам

Рисунок 3. Выбор конструкции сооружения в зависимости от крупности

             камней и скорости потока

 

  Во второй главе также приводятся особенности некоторых более практичных и внедренных конструкций селезащитных сооружений и анализируются основные направления защитных мероприятий для различных школ: европейская, азиатская, американская и т.д.

Усовершенствованный вариант арочного сооружения приведен на рис.4.

Особенность этого сооружения состоит в том, что массивные двутавровые клинообразные блоки в известном решении разделены на две Т-образные блоки.

 

 

а – фасад; б – план;  в – схемы  сборки;  г – сборка двутаврового блока

д – известный блок по а.с. № 1182104

Рисунок 4. Новая конструкция блочного селезащитного сооружения

 

Такое решение стало более практичным при изготовлении, транспортировке и монтаже. Кроме того, комбинации расположения блоков в пространстве позволили регулировать размеры отверстий, расположения вертикальных швов, что придает сооружению монолитность и т.д. Усовершенствованы сквозные стержневые сооружения против селя, лавин и оползней. Применены двухпролетные железобетонные балки круглого поперечного сечения. Такое новшество позволило сооружению работать  более надежно и долговечно, т.к. в двухпролетной балке происходит перераспределение усилий (уменьшается до 30-35%) и исключается истирание балки т.е. оголение арматуры и т.д.

Предлагается новая комбинированная схема в виде перекрестных рам с шарнирно-жесткими узлами. Причем каждая рама в направлении удара   рассматривается как многоярусная и многопролетная плоская рама с жесткими узлами. Горизонтальные элементы  сооружения расположенные поперек удара, рассматриваются как отдельные шарнирно опертые балки (рис. 5). Расчет состоит из двух этапов. На первом этапе рассматривается рамная система замененная в расчете как полурама. Так как каждая рама несколько раз пересекается между собой под углом 60º, то результирующие узловые усилия или перемещения в каждом узле определяется как среднеквадратическое значение усилий или перемещений.

Во втором этапе шарнирно опертые лобовые балки рассчитываются на косой удар камнем селевого потока. В результате расчетов поперечные сечения стоек подбираются по усилиям, полученным в рамной системе, а поперечные сечения балок – по формулам косого изгиба.

Учитывая, что селезащитное сооружение предназначено для восприятия горизонтальных ударных  нагрузок принято, что всю горизонтальную нагрузку передать через  элементы-балки на вертикальные ядра жесткости. В этом      случае      сооружение     работает  в следующей последовательности:

нагрузки от селевых потоков воспринимаются стержневыми балками т.е. горизонтальными дисками, которые распределяют нагрузку между стойками и передают их на вертикальные ядра жесткости.

Ядро жесткости получаются бетонированием треугольные ячейки сооружения.

 

 

а –  план; б – фрагмент; в – узел «А» (фрагмент стойки с балками);

г – плоские перекрестные рамы по сечениям I-I   II-II; д – трехпролетная трехярусная рама;  е – разбиение рамы на простые подрамы.

Рисунок  5. Этапы получения  расчетной схемы

 

В разработанной теории селезащитное сооружение  рассматривается как рамно-связевая система, (как по аналогии многоэтажного здания) состоящая из ядра жесткости и рамы, соединенные между собой жесткими связями.

В расчете принимается, что жесткость ядра равна сумме жесткостей вертикальных ядер, а жесткость эквивалентной рамы – суммарной жесткости всех многопролетных рам, включенных в рассматриваемый блок.

Моментное дифференциальное уравнение четвертого порядка имеет вид

                                                        (3)

В этом уравнении линейная характеристика

                                                                     (4)

Сдвиговая жесткость рамно-связевой системы определяется по формуле:

                                         ,                                    (5)

 

где  - соответственно сумма погонных жесткостей стоек яруса и ригелей,   - сумма погонных жесткостей ригелей яруса.

Уравнение перемещений принимается в виде

       (6)

Изгибающие моменты вертикального ядра жесткости

                                    (7)

Поперечные силы вертикального ядра жесткости

                                                (8)

Поперечные силы стоек рам

                                                      (9)

              Для облегчения расчетных процедур была разработана расчетная программа на языке Pascal c использованием универсального инструментального средства программирования «Delphi».

Нагрузки на расчетную схему передавались в двух вариантах: а) первая нагрузка принята по нормативному документу в виде равномерно распределенной нагрузки р=5 кг/см2; б) вторая нагрузка принята в виде криволинейной трапеции по данным эксперимента.

     Эпюры усилий и перемещений рамно-связевой системы при действии двух видов нагрузок изображены на рис.  6 и 7.

Выполненный расчет показывает, что деформативность всего сооружения уменьшилась на 70-75% из-за перераспределения усилий, т.е. горизонтальные балки стали более загруженными и стойки получили разгрузку. В результате за счет работы ядра жесткости добились равнопрочности рамной части сооружения, а в целом несущая способность повысилась на 50-60%.

 

а – план фрагмента; б – расчетная схема по А-А; в – эпюра М;

г – эпюра  ; д – эпюра прогибов

    Рисунок 6.   Результаты расчета от действия равномерно распределенной 

                 нагрузки  (по инструкции СН 518-79).

 

 

а – расчетная схема; б – эпюра М; в – эпюра  сил ; г – эпюра прогибов.

Рисунок 7. Результаты расчета от действия нагрузки в виде

криволинейной трапеции (по экспериментальным данным)

 

Периоды свободных горизонтальных колебаний рамно-связевой системы определяют по следующей формуле:

                            Т=4Н+  ,                                          (10)

где i=1,2,3 – номера тона свободных колебаний; Н - расчетная высота сооружения; n-  число ярусов; l - высота яруса;

 

Величина расчетной сейсмической нагрузки в точке сооружения по СНиП РК 2.03-30-2006 «Строительство в сейсмических районах» записывается в следующем виде:

                                    S=,                                            (11)

 где S - сейсмическая нагрузка, соответствующая i-му тону собственных колебаний сооружения, определяется по формуле:

                                          S=,                                      (12) 

          Разработанные двухпролетные балки в составе селезащитного сооружения являются трижды  статически неопределимыми, т.е. горизонтальные связи  создают усилия распора.

          Динамическая  прочность сборных изгибаемых железобетонных балок, имеющих шарнирно-неподвижные опоры, рассчитывается с учетом усилия распора Н по формуле:

            М ≤ Мн = RFs = (ho – 0,5x) + Н (d-fпр – 0,5х ),                               (13)

        Высоту сжатой зоны х следует определить по формуле:  

 

                                               х= .                                           (14)

 

         Разрушение двухшарнирной арки происходит при возникновении не менее двух пластинчатых шарниров, раскрывающихся в разные стороны, а бесшарнирной арки – при образовании не менее четырех шарниров, поочередно раскрывающихся в разные стороны. Если нагрузка на арку симметрична, то и разрушение арки должно быть симметричным, при котором в двухшарнирной арке возникает не менее трех пластических шарниров, а в бесшарнирной арке – не менее пяти шарниров.

Предложенная методика расчета на прочность по предельным нагрузкам конструкции из пластичного материала позволяет получить в соединении с теорией надежности конструкции значительные преимущества в оценке действительной работы конструкции.

Двухпролетные балки, входящие в состав селезащитного сооружения, в  основном работают на изгиб, но шарнирно неподвижные опоры (стойки сооружения) при изгибе создают распор. Установлена несущая способность  таких балок методом предельного равновесия.

Например, методика выявления резервa несущей способности для двухпролетной неразрезной балки из упругопластического материала  приведены на рис. 8.

           Рисунок  8.- Превращение правой части двухпролетной балки в

                            кинематический механизм.

 

                  Рт=     где 

       Пластический момент сопротивления (Wпл = М пр/т) определяет предельную несущую способность сечения балки из упруго-пластического материала.

 

3.      Теоретические основы расчета защитных сооружений на действия ударных и сейсмических сил

               При расчете балок селезащитного сооружения нами приняты упругие опоры, приравнивая количество движения камня до удара и системы камень-балка после удара, получим выражение скорости, затем приравнивая кинетическую и потенциальную энергии получаем выражения динамического прогиба после удара и соответствующей силы удара

 

           .                   (15)

     Результаты расчета показывают (табл. № 1), что, с уменьшением жесткости опор увеличивается прогиб при ударе, а сила удара уменьшается; с

 

увеличением соотношения массы балки к массе камня обе эти характеристики уменьшаются.

 

Таблица 1.  Относительные величины динамического прогиба (числитель) и        

                    силы удара (знаменатель)

S

1,0

1,0

 

1,2

1,0

1,4

1,0

 

 Соотношение изгибных и сдвиговых деформаций может быть различным и зависит от сквозности и высоты сооружения. Для определения указанного соотношения, в конкретном случае достаточно представив сооружение как консоль, защемленную в основании, определить единичные перемещения от сдвига и изгиба какой-либо одной его точки.

       Отношение величин изгибных деформаций к сдвиговым будет выражаться в виде

 

                                   (16)

где  - коэффициент сквозности сооружения.

     Отсюда ясно, что с увеличением высоты сооружения доля сдвиговых деформаций снижается. Ими можно пренебречь, когда они достигнут величины порядка 5-8% от суммарных.

              Ввиду того, как высота стоек сооружения может быть несколько десятков метров, длина балок (связи между стойками) не более 3-х метров, такие соотношения несущих элементов позволяют при расчете продольных рам принимать балки абсолютно жесткими на изгиб в своей плоскости, т.е. здесь в узлы с сосредоточенными массами вводятся связи заделки, аналогичные как в методе перемещений.

       Основная система метода перемещений и единичные эпюры изгибающих моментов приведены на рис. 9.

      Из уравнения движения в канонической форме метода перемещений легко составляется определитель из коэффициентов КУМП. Далее определяются динамические характеристики и по известным формулам определяются сейсмические силы.

При определении сейсмических нагрузок рассмотрено арочное сооружение  с конечным числом степени свободы, для чего распределенную массу рассредоточили в стойке двух клинообразных элементов. Как обычно, сооружение может быть направлено в произвольном и заранее неизвестном направлении.    Поэтому    наиболее   правильным    было бы в динамическом

расчете учитывать произвольность направления сейсмического воздействия и варьировать им для нахождения наихудших условий для устойчивости или прочности сооружения. Кроме того, опасным состоянием арочного сооружения из клинообразных элементов является такое, когда сооружение не заполнено селевыми отложениями, т.е. элементы свободно перемещаются в противоположную сторону давления селевых потоков.

   Рисунок 9. Конструктивная (а) и расчетная (б) схемы  сооружения (с эпюрами моментов от сдвига)

 

В связи с этим сила сжатия каждого блока тросами по вертикали  тоже требует расчета на сейсмическое воздействие (рис. 10, а, б, в).

         В спектральном методе вместо  определяем некоторую усредненную независимую от времени нагрузку, полагая ускорение поверхности земли в виде расчетного ускорения

ϋсум.i)=κci,     тогда  SκсQκ·[(cos nx-] .                  (17)

 

а – план; б –  разрез по А-А; в –  расчетная схема: г – расчетная схема арки при заполнении селевой массой.

   Рисунок  10. К расчету арочного сооружения на сейсмические воздействия

 

Селезащитные сооружения обладают той особенностью, что они на больших участках своей поверхности контактируются с грязекаменным потоком. Поэтому весьма существенно при динамическом расчете учитывать влияние потока  на колебания сооружения и, в конечном счете, на их прочность и устойчивость. Такой поток при колебаниях создает на сооружении дополнительное сейсмическое давление, которое должно быть учтено при  расчете сооружения на прочность и устойчивость.

         Воспользуемся известной теорией спектрального анализа, по которой сейсмические силы в арочном сооружении, имеющие в общем случае пространственную ориентацию, можно представить разложенными в виде составляющих по формам собственных колебаний сооружений (рис.10, г).

С учетом инерционных сил для дугообразной формы сооружения после некоторых преобразований получим расчетные формулы по формам собственных колебаний

                           (18)                                                            

     Полученные выражения (18) являются исходными при определении сейсмических сил в арочных сооружениях.

Результаты расчета в диссертации представлены в виде формы колебаний и эпюры изгибающих моментов.

С учетом вероятностной природы землетрясений и экономического эквивалента ущерба рекомендуем получить зависимость для определения предотвращенного ущерба за N лет эксплуатации сооружения по известной формуле                                                                (19)

где - среднегодовое число С-балльных землетрясений; - средняя относительная величина предотвращенных потерь от С-балльного единичного землетрясения; Е – норма эффективности капитальных вложений.

В качестве критерия оптимальности для сооружений с чисто экономической ответственностью предложено принимать минимум величины средневероятных полных затрат

                                  ,                                        (20)

 

где  - первоначальная стоимость антисейсмических усилений;

Более простым и надежным показателем эффективности мероприятий по повышению безопасности может быть размер затрат на проведение мероприятий, отнесенный к величине потерь N среди населения. Затраты проведение одного этапа или одного мероприятия с1 будут

 

                                                                       (21)

 

где - размер затрат на проведение i-го мероприятия (этапа); - математическое ожидание потерь до проведения i-го мероприятия (этапа); Мi(N) – математическое ожидание потерь до проведения i-го мероприятия (этапа); Mi(N) – то же, после проведения.

На основании (21) могут быть рассмотрены несколько возможных мероприятий или комплексов мероприятий; наиболее эффективным будет то, при котором с окажется  минимальным. В частности, самым выгодным будет мероприятие, которое не требует затрат, т.е.

 

4.      Вероятностно-прогнозные методы оценки

селезащитных сооружений

      Согласно основным положениям метода предельного равновесия, разрушение селезащитного сооружения, наступает тогда, когда выполняется неравенство                             

                                                   > .                                                    (22)

       В целом, задача заключается в нахождении разрушающей нагрузки , которая одновременно удовлетворяет условиям кинематической достаточности и статической допустимости.

     Механизмы разрушения могут рассматриваться как различные виды отказов, и для них возможно определение условной вероятности отказа  в виде двусторонних оценок.

 

                                              ,                                          (23)

где - вероятность возникновения кинематического  -механизма.

      Теорема может быть представлена в виде соотношений об оценках вероятности предельного равновесия:

 

                                             .                                          (24)

     Верхняя оценка - вероятность того, что ни один из векторов напряжений, уравновешивающих нагрузку на сооружение, не является статически допустимым.

     Нижняя оценка - вероятность того, что, по крайней мере, один из рассмотренных механизмов разрушения кинематически достаточен при нагрузке

      Соответственно нижние и верхние вероятностные оценки механизма разрушения определяются по формулам:

 

                            ,    .                                      (25)

 

Надежность сооружения в зависимости от закона распределения случайных параметров нагрузок и характеристики материалов представлена в диссертации в форме интеграла Гаусса через табулированные функции Лапласа.

По этой теореме рассмотрены однопролетные и многопролетные балки защитных сооружений и показаны вероятность отказов и характеристика безопасности.

     Вероятность события безотказной работы Р выбранных сооружений должна быть равна вероятности P(N) того, что в течение времени t произойдет не более N отказов. Следовательно, исходным уровнем будет                                    .  По теореме Муавра-Лапласа применительно к рассматриваемой задаче записывается:

                                         (26)

где - число построенных сооружений в год.

В диссертации рассмотрены конкретные примеры и установлен диапазон вероятностных значений надежности.

Рассмотрим арку под действием вертикальной и горизонтальной равномерно распределенных нагрузок, имитирующих составляющие ударного воздействия селевого потока при вхождении его во фронт сооружения в общем случае под некоторым углом, что соответствует типичной ситуации расположения селезащитного сооружения в русле горной реки.

Составляющие нагрузки q1  и q2 зависят от случайного параметра нагрузки α следующим образом:

 

        ;      где                       (27)

 

      Нагрузка - постоянное  давление воды на арку до прохождения селя;  - составляющая нагрузки, вызванная селевым потоком, ортогональная ось арки в замке. Вероятностные характеристики параметра  полностью определяют составляющие разрушающих нагрузок и  определяемые по формуле (28).

       Образования пластических шарниров и механизм разрушения арки показаны на рис. 11.

 

Рисунок 11.Форма разруше-                                                                    ния арки от действия                                                                             фронтальных и боковых                                                                              нагрузок

 

 
                                                                                   

                        

                                                                                    

                                                 

      Применительно для указанной формы разрушения (рис. 11) на основе кинематической теоремы находим предельные значения случайного параметра

                     ,      (28)

     где  - предельный изгибающий момент.

      Расчет выполненный для блочного сооружения (а.с. №№ 1182104, 1670030) построенного на притоке Кок-чек р. Большой Алматинки при С=0,3,  и         показал, что его несущая способность недостаточна.

В последнее время для оценки надежности сложных систем применяется метод оценки риска.

     Анализ риска позволяет обеспечить интегральную оценку безопасности защитных сооружений с учетом вероятности разрушения конструкции во времени и пространстве при возникновении чрезвычайных ситуаций, а также возможных последствий. Например, для оценки риска потерь при действии разрушительных лавин предложена формула

                                                      (29)

где R – интегральный риск от опасности Н в любой сфере фиксации потерь; Р(Н) – повторяемость опасности Н определенной интенсивности; численно равная ее статистической вероятности; ,  - вероятность разрушения конструкции с опасностью Н в пространстве и во времени; - степень уязвимости (вероятность разрушения сооружения и т.п.) объекта при событии Н; D – площадь, стоимость дороги, число пострадавших людей и другие подобные общие показатели.

      Очевидно, граница безопасного состояния и само безопасное состояние в терминах анализа риска будут оцениваться выражением

                                                                                                     (30)

где  - допустимый риск.

          Как уже указывалось, величине допустимого риска зависит от ряда технических, экономических, психологических и других факторов. Для ее оценки предложен ряд подходов. Например, для специальных сооружений часто употребляется следующая формула 

                                                                                        (31)

 

где  - коэффициент социальной значимости объекта, равный 0,005 для мест собрания людей и плотин; 0,05 для объектов массового промышленного и гражданского строительства; 0,5 для мостов; 5 для защитных специальных сооружений; Т – расчетный срок службы конструкции или сооружения (в годах); L – среднее число людей, находящееся в поездах или в непосредственной близости в течение периода, за который оценивался риск.

Задача определения необходимой экономически обоснованной надежности можно сформулировать следующим образом. Требуется найти минимум математического ожидания затрат, связанных с возведением сооружения и возможными его повреждениями в течение заданного срока службы, т.е. найти минимум функции , где С – первоначальная стоимость возведения сооружения; V – вероятность его повреждения; У – ущерб, вызываемый этим повреждением, включающий стоимость восстановления и убыток, нанесенный в результате нарушения процесса эксплуатации.

Вероятность повреждения находится в прямой связи со стоимостью. Уменьшение этой вероятности достигается увеличением стоимости. Пусть вероятность перехода через предельное состояние i равна Vi и ущерб от такого перехода будет равен Уi. Тогда оптимальным будет решение, при котором обращается в минимум функция

                      ,                                          (32)

где n -  число возможных предельных состояний.

Начальную стоимость здесь следует считать зависимой от обеспеченностей против каждого из n предельных состояний.

При этом условия минимума R выразятся в виде

                                       (33)

поскольку  и можно считать не зависящими от .

Условия (33) позволяют выбрать оптимальные обеспеченности против каждого предельного состояния.

 

5.    Прогнозирование схода оползней и методы расчета противооползневых  сооружений

Для оценки и прогноза устойчивости оползнево-обвальных склонов в настоящее время применяются методы, основанные на детерминированных и стохастических моделях. В детерминированных моделях наиболее широко используются методы прямого расчета коэффициента устойчивости склона. На современном уровне развития инженерно-геологических изысканий и их обеспеченности вычислительной техникой наиболее перспективными следует считать стохастические методы оценок и прогнозы устойчивости склонов, опирающиеся на сравнительно-геологический анализ.

В диссертации использован метод оползневого потенциала.

Сущность данного метода заключается в определении вероятности проявления оползней в зависимости от воздействия основных факторов оползнеобразования, учитываемого на вероятностной основе.

Величина оползневого потенциала W определяется по формуле

                                                                                         (34)

 

где m – число факторов, действующих на данном элементарном участке; Рk – вероятность проявления оползней под воздействием одного (k-го) из m действующих факторов (применительно к конкретному классу каждого фактора).

На рассматриваемой территории выделяются площади распространения основных литолого-генетических комплексов. В пределах площадей, сложенных определенным литолого-генетическим комплексом, выделяются участки с определенным сочетанием факторов оползнеобразования (с учетом класса каждого фактора). Участки с одинаковым сочетанием факторов объединяются в отдельные группы.

Затем в каждой группе участков вычисляется среднее значение коэффициента пораженности активными оползнями, которое принимается равным величине оползневого потенциала для данной группы участков.

Когда будет установлена величина Рn  для какого-либо класса определенного фактора оползнеобразования (таким фактором может оказаться не только крутизна склона, но и любой другой), величину Рk для любого другого =го фактора можно находить по формуле

                                                                  (35)

где - величины оползневого потенциала соответственно в зонах k-го и n-го факторов при одинаковом составе других факторов оползнеобразования;

 - коэффициент сейсмичности площадки, равен 0,125; 0,25; 0,5 соответственно для 7, 8 и 9 баллов.

      В диссертации рассмотрены шесть факторов оползнеобразования: I (породы); II (густота тектонических нарушений); III (крутизна склонов), IV (густота эрозионной сети); V (антропогенное воздействие) и VI (сейсмичности площадки).

Рассмотрен оползневый процесс в Талгарском районе Алматинской области.

Проверка выполнялась для зоны распространения одного характерного комплекса пород – флишевых отложений палеоценового возраста (аргиллиты, песчаники, мергели). Из имеющихся здесь шести факторов оползнеобразования, включающих факторы I (породы), II (густота тектонических нарушений), III (крутизна склонов), IV (густота эрозионной  сети), V (антропогенное воздействие) и VI (годовая сумма атмосферных осадков), анализировалось только действие фактора III, IV, V и VI для 7 баллов; остальные факторы оказались по классу одинаковыми для всей площади указанной зоны. Эти факторы разделены на следующие классы: III – по интервалам крутизны склонов (III1 – 0-5º, III2 – 5-15º, III3 – 15-30º), IV – по густоте сети.

км/кг2 (IV1 - 0-0,5; IV2 – 0,5-1,0; IV3 – 1,0-1,5 и IV4 – 1,5-2,0), V -  по силе воздействия (V1 – слабое воздействие, V2 – значительное воздействие, V3 – интенсивное воздействие).

В рассматриваемой зоне были определены площади распространения конкретных сочетаний различных классов указанных факторов и вычислены коэффициенты пораженности активными оползнями. В идеале они должны равняться значениям оползневого потенциала для этих площадей.

 

 

Таблица 2. Сопоставление натурной пораженности активными

                   оползнями с величинами оползневого потенциала (W)

Сочетание факторов

Ка.оп

W

III1IV2V3 VI1

III2IV1V1 VI1

III2IV4V1 VI1

III3IV1V3 VI1

III2IV3V2 VI1

III3IV3V3 VI1

0,082

0,023

0,092

0,095

0,095

0,199

0,067

0,024

0,126

0,078

0,152

0,148

0,82

1,04

1,37

0,82

1,60

0,74

 

Исходные вероятности вычислялись в основном по формуле (34), при этом для первого класса оцениваемых факторов в соответствии с фактическими данными вероятности были приняты равными нулю    (табл. 2).

В расчетах использовались только представительные сочетания факторов, для которых при прочих равных условиях увеличение коэффициента пораженности сопровождалось увеличением класса фактора. Например, для оценки воздействия класса IV1 и IV2 были использованы сочетания IV1III2V1VII и IV2III1V3,VII для которых коэффициенты пораженности W1 и W2 соответственно были равны 0,024 и 0,067. Отсюда по формуле (35)

Для оценки класса IV3 взяты сочетания IV1III3V3 VI1  и  IV3III3V3,VI1 для которых соответственно  и  Из формулы (35) следует

Подобным способом получено, что для факторов III и V вероятности следующие:   

Величина определена по формуле (35). Для сочетания  величина , принимаемая  в данном случае равной , составила 0,126.

Далее определим   по формуле   

           

 

Результаты сопоставления фактических значений  с вычисленными по формуле (34) величинами оползневого потенциала приведены в табл. 2 представительных сочетаний факторов, соотношение рассчитанных и фактических данных оказалось в пределах 0,82-1,04.

Полученный предел 0,82÷1,04 относится для сейсмичности площадки 7 баллов. Без учета сейсмичности предельное значение составляет 0,75÷0,92 т.е. в случае сохранения кустарников и растительного слоя на склоне близ п. Талдыбулак не произошел бы сход оползня.

Следовательно, данный метод можно использовать для реальных оценок, причем на его основе можно прогнозировать конкретную величину оползневой пораженности в разных зонах рассматриваемой территории применительно к определенному сочетанию факторов оползнеобразования.

      Нами разработаны новые конструкции противооползневого сооружения, обеспечивающие как общую, так и местную устойчивость склона дорог.

     Сооружение состоит из вертикальных, железобетонных стоек, расположенных в плане в шахматном порядке, омоноличенных бетонным ростверком в верхней части и связанных также железобетонными поперечными перемычками по высоте стоек (рис. 12). 

 

а - общий разрез; б – разрез  по А-А; в – разрез по Б-Б;

Рисунок 12.    -  Грунтоудерживающее сооружение (патент РК № 19109)

 

К поверхностным относятся ряд плоско-решетчатых и комбинированных конструкций автора, подробно описанных в диссертации (рис. 13).

Для глинистого грунта центр вращения круглоцилиндрической поверхности нами принят в одной плоскости с горизонтом земли (рис. 13,б), и на основе принципа возможных перемещений определены давления грунта на вертикальную стену сооружения.

Изменение величины элементарного сдвигающего давления в зависимости от заглубления показано на рис. 13,в. Так как сила действует по круглоцилиндрической поверхности радиуса , а равнодействующая противодавления стенки приложена в центре тяжести треугольника элементарных давлений на расстоянии  от низа стенки, учитывая все это и составляя уравнение Лагранжа, окончательно имеем:

 

                                                    (36)

 

а – конструкция грунтоудерживающего сооружения; б – схемы смещения  массива по круглоцилиндрической поверхности; в – давления грунта заключенных внутри объема АВС.

Рисунок  13   -  Конструкция и расчетная схема грунтового массива.

 

      Сравнивая величину члена  при различных значениях угла внутреннего трения , видим, что последний для обычно встречающихся грунтов мало отличается от постоянного коэффициента равного 0,5 в уравнении горизонтального давления по Кулону.

      Результаты расчета приведены на рис. 14.

 

Рисунок 14. Графическое изображение  результатов расчета

 

 

 

 

Нами при использовании принципа возможных перемещений грунтовая среда принята как система, состоящая из абсолютно твердых точек. Деформация этой системы происходит за счет изменения расстояния между точками. На основе этой гипотезы геостатики и графика устойчивости откосов по круглоцилиндрической поверхности можно найти  давление грунта.

В результате реализации изложенного подхода получены две формулы определяющие наибольшее давление грунта на стены: по известной круглоцилиндрической поверхности

                      (37)

и по методу предельного равновесия (Принцип Лагранжа)

При значительных диаметрах скважин (более 1 м) по технологическим требованиям необходимо найти безопасные параметры (диаметр, глубина), для этого ставим задачи определения давление грунта. Окончательное боковое давление грунта на глубине h  определяется по формуле:

        .                                  (39)

Изменение бокового давления на боковую стенку призмы в зависимости от угла внутреннего трения φ приведено в таблице 3.

Таблица 3.

у0

0

10º

20º

30º

40º

50º

60º

70º

80º

90º

Е=

γ·Н

2,654·

γ·h0

1,095·

γ·h0

0,546·

γ·h0

0,280·

γ·h0

0,138

γ·h0

0,0626·

γ·h0

0,00284·

γ·h0

0,00529·

γ·h0

0

 Коэффициент запаса устойчивости не дает возможности оценить количественно как надежность склона, так и степень риска. Это связано с тем, что в прогнозе коэффициента запаса не учитываются разбросы величин внешних сил, геометрических размеров, разброс физических характеристик грунта и т.д. Нами принят нормальный закон распределения для всех расчетных величин коэффициента устойчивости и используя функции Лапласа и теорию Ц.Е.Мирцхулава, разработана методика установления крутизны склона при заданной вероятности устойчивости склона:

                                                                     (40)

 

       Формула (40) показывает, что при коэффициенте запаса устойчивости  вероятность  обрушения Р=0,5. Это означает, что каждый второй склон, запроектированный таким образом, может обрушиться, то есть риск оценивается в 50%.

 

6.    Методы расчета новых конструкций  лавинозащитных сооружений

Предлагаются различные конструкции лавинозащитных сооружений. Например, один из них в виде камнеуловителя состоит из заанкерованных рядовых стоек, изготовленных из рельсов и соединенных между собой стальными тросами, снабженными висячими автопокрышками. Низ каждой стойки соединен с верхом соседней стойки тросами, образуя, таким образом, в плоскости зигзагообразную форму, а тросы между соседними стойками образуют крестообразную решетку (рис. 13,а).

Нами анализированы результаты расчета (табл. 4) определения силы удара лавин формулами приведенные в нормативных инструкциях.

 

      Таблица 4   Сравнение результатов расчета определения давления

                          лавин при различных прогнозируемых скоростях

Значение

Рл

                            Скорость лавины, м/с

10

20

30

40

50

70

2,5

10

22,5

40

62,5

122,5

6,2

12,5

19,0

26

31

44

 

  где =250 кг/м3- плотность лавины; =90º- угол между направлением лавины и поверхностью сооружения, град.

     Таким образом, при малых скоростях лавин расчеты дают заниженные результаты, а при >30м/с – сильно завышенные. Ударные давления от лавин свыше 100т/м2 наблюдаются очень редко и эти лавины очень разрушительны и изучены плохо. В таких случаях расчетные давления надо назначать в соответствии с имеющимися опытными данными и с обоснованным запасом.

 

 

 

 

а – лавиноуловитель, общий вид; б – то же, в плане;

в – вид с торца упругого ударогасителя.

Рисунок 15. Комбинированные защитные ограждения дорог снежных обвалов

 

        На практике часто возникают проблемы защиты дорог от небольшого объема снежных обвалов. Нами разработаны комбинированные конструкции. Например, ограждение, данное на рис.15,в. содержит заглубленные в фундамент  стойки  из  утилизрованных  рельсов  с нанизанными на них упругих  также   отработанных  автопокрышек, имеющих разные  диаметры (рис. 15). Стойки  раздвинуты   в ряду    для образования  между  покрышками зазоров  шириной 2/3  диаметра   большей  покрышки.

        Рассмотрим, что валун в составе снежных лавин, как материальная точка, ударяется на невесомое упругое ограждение (стойка). Эта задача легко решается  при условии допущения, что вид  деформации  сооружения при ударе так же, как и при статическом действии сосредоточенной силы, приложенной в той же точке и так  же направленной, описывается одним и тем же уравнением.

 Основные элементы лавинозащитного ограждения – стойки, поддерживаются растяжками. Отсюда расчетную схему стойки можно представить в виде простого стержня шарнирно неподвижной и упругой опорами.

При выводе формулы ударного импульса для данной стойки составлены уравнения, связывающие перемещения характерных точек

 или, с учетом с учетом размеров    .

Таким образом,

                                       (41)

Далее после некоторых преобразований получим следующее уравнение

                                                                        (42)

Отсюда наибольший ударный импульс

 

                                    Sв=                          (43)

 

Анализ полученного выражения показывает, что импульс ударных  сил и реакции зависит  от жесткости  упругой   опоры, и чем больше значение жескости, тем меньше ударные  воздействия.

 

7.    Моделирование и экспериментальные методы исследования работы защитных сооружений

         Основной задачей при моделировании защитных сооружений является обеспечение идентичности в перемещениях. Определение подобия в перемещениях модели и натуры позволяет с определенной вероятностью найти внутренние усилия (М, Q, N) и напряжения х, σу, τху). Для достижения поставленных целей использована теория размерностей.

          При одинаковом коэффициенте Пуассона материала модели и сооружения, перемещение в сооружении  просто выражается через перемещение, определенное на модели. В этом случае получим

 

                                           .                                             (44)

     Формула (44) позволяет просто определить нагрузку с параметром Р* при которой деформированное состояние сооружения геометрически подобно деформированному состоянию модели. В этом случае ,

                    откуда   .                  (45)

 

 Проведены испытания предварительно обжатого узла стоек стержневого сооружения в М 1:10 с целью установления жесткости стоек по высоте в зависимости от места расположения. Это достигалось созданием предварительного натяжения.

      Модель состоит из 4-х шайб, 2-х опорных элементов и центрального стального стержня из арматуры Ø 16 АI. Напряжение в нем определялось тензодатчиками, установленными в середине длины стержня на 2-х противоположных сторонах.

                  Построены графики перемещения узлов. Анализ этих графиков показывает, что податливость узла зависит от ряда причин. При этом независимо от места приложения вертикальной силы F, преувеличении силы обжатия  N прогибы ж/б шайб уменьшаются, что можно объяснить увеличением сил трения между торцами шайб.

При расчете  конструкции железобетонного арочного сооружения вызывает затруднение определение деформации и усилий, т.к. сооружение собрано из отдельных не связанных между собой клинообразных пустотелых блоков. С целью обоснования последовательности появления пластических шарниров и несущей способности нами проведены испытания (рис. 16).

Бетонная модель арочного сооружения представляет собой пространственную конструкцию, состоящую из двенадцати сборных клинообразных блоков двутаврового сечения. Общие размеры: пологость  длина  ширина 12 см.

Элементы модели изготовлены из мелкозернистого бетона состава 1:3 (цемент марки 400, В/Ц=0,4). Для каждой партии блоков одновременно были изготовлены по 3 кубикa и призмы. По данным испытания кубиков 5х5х5см в 28-дневном возрасте имеет следующие характеристики:     объемный вес  При определении прочностных характеристик для контроля использован молоток Кашкарова.

В процессе эксперимента ставились задачи установления несущей способности, схемы образования пластических шарниров на действие центрального и внецентренного сжатия. Для проведения испытания изготовлен силовой стенд в виде замкнутой жесткой металлической рамы с винтовым нагрузочным устройством (ручной домкрат). Нагрузки измерялись динамометром, перемещения – индикатором часового типа. К испытанию собраны пять вариантов модели арочного сооружения.

Монтаж во всех вариантах осуществляется на сухом трении между блоками. Центральная сосредоточенная нагрузка передавалась ступенями по 50 кг.  Прогибы определялись в середине арки. Первые четыре варианта модели представляло одиночную  арку (полосу), а пятое сооружение, состояло из трех арок, собранных  из сквозных блоков. Предварительное обжатие обеспечило совместную работу трех арок. Вертикальная сила, передаваемая домкратом, была приложена в средней арке посередине пролета. Первые трещины в средней арке появились в четвертом блоке от правой пяты при нагрузках 350 и 400 кг. Непосредственно перед разрушением в блоке под силой появились трещины шириной 3-4 мм, и предельной нагрузкой для данной схемы явилась величина   

Разрушение модели начинается в результате раскрытия швов, т.е. появляется деформация растяжения. В модели ключевой шов раскрывается снизу, а пятовые швы – сверху (снаружи). В некоторых моделях наблюдались также разрушение в форме сдвига блоков в промежуточных швах.

Сравнительные результаты показывают, что несущие способности монолитных полос арки и многослойной сквозной арки одинаковые, например, первые трещины в зоне контакта блоков появились при нагрузке Р=900 кг. При этом прогиб середины арки составил 6 мм, т.е. , что соответствует нормативным требованиям для защитных и складских сооружений.

 

 

       

 

а) Схема симметричного         б) Схема нессиметричного

    загружения модели                     загружения модели

Рисунок 16 (Фото). Испытания модели арочного сооружения

 

На основе анализа результатов предложены новые схемы расположения блоков т.е. натурные сооружения могут быть выполнены полностью сквозными за исключением верхних 2-3 ряда поясов или по верху сооружения устроить монолитный железобетонный пояс (ростверк). Армирование блоков не требуется за исключением монтажных арматур. Предложенный вариант сквозности (50%) вполне обеспечивает условие прочности бетона  

При нессиметричном загружении несущая способность элементов сооружения снижается на 40%. Это означает, что сооружение необходимо установить на ровном участке с центральным руслом и распределить нагрузку равномерно по всей длине.

Для повышения несущей способности всего сооружения швы по стыкам двутавровых блоков замонолитить бетонным раствором. Места появления пластических шарниров в эксперименте полностью соответствует с теоретическими предположениями.

На основе теории Г.Е.Паукера составлены уравнения (рис. 17, а).

                              (46)

 

 

Рисунок 17.  Расчетная  схема к расчету методом Паукера (а),

проверка устойчивости блоков на раскрытие швов(б, в)

 

Подставляя в предложенное равенство (46) необходимые расчетные параметры из эксперимента легко можно найти силу Р, при которой рассматриваемый шов будет находиться в предельном состоянии.

Каждому положению шва разрушения соответствует четыре прямые, выделяющие из плоскости некоторую область (рис.17,б); внутри этой области лежат точки, координаты  Из этих решений уравнения выбираем то, для которого сумма  имеет наименьшее значение; очевидно, ему соответствует та точка области ω, которая лежит на ближайшей к началу координат прямой, отсекающей на положительных направлениях осей равные отрезки (рис. 17,в).

Создание искусственного селя, подобного Чемолганскому (близ г. Алматы), требует больших денежных и трудовых затрат. Поэтому для установления приближенной картины распределения давления по периметру сооружения и для количественной оценки вероятностных характеристик потока были проведены лабораторные исследования на моделях.

         Для получения информации о распределении давления было разработана установка (рис. 18) для моделирования движения селевых потоков. Установка содержит круглую емкость барабанного типа, наклонный лоток и модель сооружения. При вращении емкости открывается створка и селевая масса выбрасывается в лоток.

а – общий вид установки; б – вид по А-А; в – общий вид преграды; г – то же, 

                                                  в плане.

Рисунок  18.   -  Установка для моделирования движения селевых

потоков (патент РК №  4343).

 

     Поперечная преграда состояла из трех горизонтально расположенных пластин размером 70х9,6х0,5 см с наклеенными на них датчиками и шарнирно закрепленных по краям (рис. 19, а).

 

а – участок пластинчатой преграды; б – графическое отображение

измеренных величин; в – эпюра давления по СН 518-79;

г – то же по созданной  модели

Рисунок 19.  - Характер распределения  селевой массы по высоте  преграды

 

      Для построения аппроксимирующей функции давления  выберем систему координат, изображенную на рис. 19,б и зависимость в виде  квадратной параболы:

                                                                                (47)  

     Для определения коэффициентов уравнения воспользуемся методом наименьших квадратов:

                                                                                          (48)

где - общее количество значений давления.

Окончательное уравнение, описывающее характер распределения давления селеподобной массы по высоте имеет вид (при х=0)

                .                                         (49)

     Максимальное давление на сооружение будет на высоте  и равно  

                                                ,                                                       (50)

а давление в верхней точке потока   Среднее значение давления рассчитывается по формуле

                                                                                                      (51)

где  - средняя плотность селевого потока;  - средняя скорость потока при подходе к сооружению; 4,5 – экспериментальный поправочный коэффициент.

Для проверки достоверности полученных результатов создана другая установка и измерение производилось по разработанной  методике.

С помощью данной установки были получены скорости потока до 7 м/с с общей массой до 300 кг. Измерение ударной нагрузки потока проводилось с помощью группы тензометрических датчиков, которые наклеивались на металлические основы мембранного типа. Расположение и вид датчиков и стенда приведен по рис. 20,а.

 

Рисунок 20.  -  Вид стенда по измерению силы ударного

воздействия селевого потока (а) и распределение давления потока

по вертикали  при m=100, 180, 200, 300 кг и =6м/с (б).

     На рисунке 20,б приведены эпюры давления потока в зависимости от массы. Разница в давлениях верхней части потока составила соответственно 0,30,6 от максимального давления. Таким образом, можно считать, что ослабление удара в верхней части потока обусловлено только активным перемешиванием массы в вертикальной плоскости в режиме турбулентности. Следует ожидать, что в случае ламинарного потока характер распределения давления будет иным.

             Нами также проведены испытание модели сооружения для оценки устойчивости откосов.

На практике часто при моделировании поведения земполотна под нагрузкой используются центробежные устройства. Центробежные устройства создают центробежные ускорения , т.е. в большей степени уплотняет грунт, а при не стесненных условиях (без боковых бортиков) тела земполотна относительно оси дороги расползается симметрично.

На основе таких анализов разработан вибростенд горизонтального действия. Для создания источника импульса на практике применяются таранный удар, вибромашина, маятниковый копер, кулачковые механизмы, сбрасывание груза и т.д.

        Разработан вибростенд с ударным копром горизонтального действия.

     Скорость копра перед ударом об упругую прокладку платформы определялась при помощи электрического прибора и составила,    а также проверялась секундомером (рис. 21).

 

 

 

1,2,3 – соответственно этапы испытаний

Рисунок 21.  Конструкция испытательного стенда с грунтовой

массой и противооползневым сооружением (а,б) и графическое изображение результатов испытания откоса на устойчивость (по критериям объема сползания).

 

              Испытание проведено в три этапа. Корыто виброплатформы заполнено грунтом Кок-Тобе естественной влажности и создан первоначальный уклон 360, что соответствует уклону Кок-Тобе.  Импульсная нагрузка создавалась ударом маятникового копра 5-6 раз с интервалом 10-15 минут. По результатам показаний измерительных линеек установлен верхний уровень грунта.

        Сравнивая  результаты трех этапов испытания относительно площади склона к объему сползания (3, 5, 8) можно сделать следующие  выводы (рис. 21,в табл. 5).

 

         Таблица 5. Экспериментальные  характеристики

Этапы

экспери-

мента

Объем сползания

поверхности склона  Аобщ (см2)

Объем сползания

грунта Wсполз

(см2)

Показатель

эффективности

Аобщ/ Wсполз

Угол

сползания

α0

1

 

2

 

3

9600

 

9600

 

9600

3200

 

1920

 

1200

3

 

5

 

8

25

 

30

 

34

   

  Предложенное техническое решение увеличивает объем задержания сползавшего массива по сравнению с откосом без укрепления в 2,7 раза и по сравнению с укрепленным (второй этап) склоном в 1,6 раза.

     Здесь нужно отметить, что все внедренные удерживающие сооружения на буронабивных сваях имели круглое поперечное сечение и от того эффект удержания был слабым из-за обтекаемости формы сечения и неустойчивой формы арочного эффекта на пятках, т.е. в зоне контакта грунта с поверхностью сваи.

     В предложенном варианте сечения удерживающих свай приняты прямоугольным, что естественно повышает сопротивляемость на 10-15%.

 

З А К Л Ю Ч Е Н И Е

 

        В работе выявлены тенденции развития конструктивных защитных мероприятий горных дорог от опасных природных явлений, таких, как селевые потоки, оползни, снежные лавины, осыпи и камнепады. С целью создания новых конструкций защитных сооружений были изучены физико-механические и динамические свойства, и характер разрушения сооружения от опасных природных явлений.

      Выполненный комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволили: получить научно обоснованные результаты, использование которых реализует решение крупной прикладной проблемы по обеспечению безопасности людей и  дорог, расположенных в горных районах республики. Основные результаты, выводы и рекомендации выполненных исследований могут быть сформулированы следующим образом: 

     1. Учитывая геологическое строение селеносного русла и характеристики селевых процессов на основе многофакторного анализа определены три зоны катастрофичности и зависимости от них решены задачи размещения сооружений, разработанные нами и другими специалистами.

При защите дорог, пересекающих конусы узких и крутых селеактивных ущелий, боле надежными являются массивные сборные железобетонные сооружения арочного типа.

На расширенных участках селеносного русла, т.е. в зоне конуса выноса, где скорость и глубина селевых потоков относительно малы, более эффективными являются облегченные селезащитные сооружения из железобетонных линейных стержневых элементов.

Для защиты дорог, расположенных вдоль склона гор и по руслам, на перевалах более эффективными являются протяженные гибкие и сквозные сооружения, которые допускают большие перемещения в плане за счет сдвига и перекатывания блоков и разрыва тросов.

     2. Решение задачи о горизонтальном поперечном и косом ударе по упруго опертой балке, рассматриваемой как лобовой элемент сооружения. Приведены  формулы для определения максимального динамического прогиба и соответствующей силы горизонтального поперечного удара и  усовершенствована формула определения силы удара с учетом  соотношения жесткостей балки и стоек.

      3. Разработана методика расчета стержневых сооружений на сейсмические воздействия с одновременным учетом сдвиговых  и изгибных деформаций. Показана методика получения расчетных формул определения максимального значения сейсмических сил при кинематическом воздействии (смещения основания).

      4. Приведены расчетные выражения определения максимальных сейсмических сил в арочных сооружениях при произвольном направлении сейсмических волн. Параметры пространственной ориентации вектора сейсмических перемещений поверхности грунта отражаются в выражении коэффициента формы колебаний. Из этой общей зависимости получены расчетные выражения для частных случаев направления сейсмических волн – продольного бокового и вертикального.

     5. Для обеспечения безопасности эксплуатации стержневых сооружений предложены новые способы реконструкции, обеспечивающие прочность и одновременно ремонтопригодность эксплуатируемых сооружений.

       Все это достигается введением в структуры сотовых ячеек сооружения ядра жесткости. Соответственно нами разработан новый метод расчета по схеме «рамно-связевая система». Ядро жесткости воспринимает 70-75% давления селевых потоков. Составлена расчетная программа на языке «Раscal» с использованием универсального инструментального средства программирования «Delphi».

6. На основе теории риска для оценки надежности сооружения разработана методика, позволяющая установить вероятностную меру опасности из-за возможных   потерь  части несущих    способностей во время

длительной эксплуатации, т.е. введены в расчет прочностные  характеристики с учетом трещины,  ползучести материалов, местных разрушений, оголения арматур, размыва опор и т.д.

На основе собранных статистических данных нагрузок, усилий и выполненных расчетов установлено, что чем меньше риск, принятый при проектировании, тем будет дороже конструкция. Кроме того, показатели риска зависят от срока эксплуатации сооружения, а также от его назначения и степени ответственности.

       Для интегральной оценки безопасности эксплуатируемых защитных сооружений использованы формулы метода максимального правоподобия, т.е. учитывается совместность нормальных распределений расчетных параметров, в основном, нагрузки и прочностных характеристик материалов.

     7. Для однородного сыпучего грунта допуская, что центр вращения круглоцилиндрической поверхности находится в одной плоскости с горизонтом земли и на основе метода предельного равновесия,  определены давления грунта  и наносов на вертикальную стену сооружения, что позволяет выбрать безопасное защитное мероприятие.

      На основе механического принципа Лагранжа по линейно деформируемой схеме аналитическим  и графоаналитическим  методами определены предельные углы наклона, обеспечивающие устойчивость склона, который имеет однородные грунты и различные конфигурации в поперечном сечении.

     8. Разработана методика  определения крутизны склона по вероятностной постановке с принятием нормального распределения расчетных величин, коэффициента устойчивости в виде отношения момента сопротивления вращению (Мсопр.) объема грунта вокруг определенной точки к величине вращающего момента (Мвращ.) вокруг той же точки.

9. Для обеспечения общей устойчивости склона от сползания массива предложены различные системы глубинного и поверхностного укрепления грунта:

- разработаны два варианта конструкции многоярусных рам с квадратным поперечным сечением элементов и шахматном расположении в плане.

- разработаны защитные покрытия: гибкие маты из валунов, обжатых автопокрышками; треугольные и коробчатые железобетонные элементы, связанные между собой в узлах и анкерные в грунт автопокрышки или короткие штыри.

10. Эксперименты по определению давления селевого потока проводились на двух установках: шарнирно-балочных гибких перегородках и мембранных круглых пластинках, установленных на жесткой основе.

Обобщенные результаты показывают, что давление селевого потока на сооружение не постоянно, как это принято в инструкции СН 518-79, а изменяется по кривой, максимальное значение  которой соответствует примерно 0,3 глубины селевого потока. Равнодействующая давления селевой массы размещается ниже середины высоты потока.

Экспериментальные эпюры давления по горизонтали также распределены по параболе, но ассиметричны относительно горизонтальной оси.

Полученные результаты позволяют более точно назначить безопасные расчетные сечения и оптимальные параметры сооружения в целом.

11. Для прогноза оценки устойчивости крупных склонов (уступов, откосов, ступеней рельефа) использован метод оползневого потенциала, учитывающие возможные формы изменения рельефа, регионально-геологические закономерности формирования оползней-обвалов по данным инженерно-геологических исследований и интенсивность сейсмических воздействий.

12. На основе анализа результатов испытания модели арочного сооружения предложены новые схемы расположения блоков, т.е.  сооружения могут быть выполнены полностью сквозными за исключением верхних 2-3 рядов и по верху устроить монолитный железобетонный пояс. При нессиметричном загружении несущая способность элементов сооружения снижается на 40%, т.е. сооружение необходимо устанавливать на прямоугольном участке русла.

На основе эксперимента установлены кинематические схемы образования пластических шарниров для сборных арочных сооружений.

13. Разработана испытательная установка для оценки устойчивости склона,   грунты которого укреплены стержневыми элементами. Такое сооружение удерживает большой объем сползающего массива по сравнению с откосом без укрепления в 2,7 раза и по сравнению с укрепленным (анкерные стойки с ростверком) склонов в 1,6 раза.

Такой результат достигнут за счет работы пространственной конструкции сооружения и прямоугольной формы сваи.

14. Дана экономическая оценка эффективным мерам повышения безопасности защитного сооружения. В качестве критерия безопасности при выборе защитных мероприятий предложено минимум величины средневероятностных  полных затрат.

Методом теории надежности определены оптимальные сечения конструкции с учетом нарушений возведения и эксплуатации, что позволяет получить заметный экономический эффект.

Основное содержание диссертации отражено в 72 работах и патентах автора, в том числе:

1. Тулебаев К.Р. Расчет железобетонного сквозного селезащитного сооружения на прочность.// Республиканская   конференция в г. Алматы,  – Алматы,  1983 г., Том II. - C. 63-64.

2. Хигер М.Ш., Тулебаев К.Р. Горизонтальный поперечный удар по упругоопертой балке (статья) // «Строительная механика и расчет сооружений», М. - 1985. № 4, - C. 62-63.

3. Байнатов Ж.Б, Тулебаев К.Р.Эффективные конструкции селезащитных сооружений    сетчатого   и    решетчатого    типов.   //  Экспресс-информация,

 

КазЦНТИС Госстроя КазССР, серия «Водохозяйственное строительство». Алма-Ата, 1988, № 4.- 13с.

4. Байнатов Ж.Б., Тулебаев К.Р. Селезащитные сооружения. Научно-технич. достижения и изобретения, рекомендуемые для использования в строительстве. //  Информ.   сб.  ВНИИС Госстроя СССР.- М.  1988.  -  № 11.  - С. 81-184.

5. Байнатов Ж.Б., Тулебаев К.Р. Динамический расчет элементов селезащитных сооружений стержневого типа при взаимодействии с селевым потоком. «Совершенствование архитектуры и градостроительства Казахстана».    Сб.     трудов.    -     Алма-Ата.:      ААСИ,     1991.     – С. 20-23.

6. Байнатов Ж.Б., Тулебаев К.Р. Совершенствование конструкции, методов расчета противооползневых и противообвальных сооружений на автомобильных дорогах // «Транспорт». ВИНИТИ. Серия: Наука, техника, управление. Москва, 1996, № 3, - С. 13-19.

7. Байнатов Ж.Б., Тулебаев К.Р. Защита автомобильных дорог от оползней, обвалов и осыпей. // ОИ  «Автомобильные дороги». –М.: Информавтодор. – 1996. № 2 - 76 с.

8. Тулебаев К.Р.,  Хомяков В.А. Вопросы устойчивости откосов и склонов// . «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных        дорог»         – Алматы.        КазАТК,      1998г. - С. 220-226.

9. Тулебаев К.Р. Особенности расчета защитных сооружений на сейсмические воздействия. //  «Проблемы технологии и экономики строительных материалов». Межвузовский сборник научных трудов. - Алматы, КазГАСА, 1999г., - С. 292-297.

10. Тулебаев К.Р., Байниетов Т.Ч.,  Базаров Р.Б. Экспериментальное исследование податливости соединений  элементов защитного сооружения. //  «Исследование по строительным конструкциям». Сб. научных трудов. – Алматы.; КазГАСА, 2000. – С.89-92.

11. Байнатов Ж.Б., Молжигитов С.К., Тулебаев К.Р. Некоторые результаты экспериментального исследования динамики ударного воздействия селевого потока   на   сплошную    преграду. // Вестник    КазДорНИИ,  № 3-4,   2004г,

 - С. 42-45.

12. Байнатов Ж.Б., Помашев О.П., Тулебаев К.Р. Многофакторный анализ катастрофичности селевых потоков в транзитных зонах. // Вестник НИА РК.

 - Алматы, 2005. - № 3.  - С.79-85.

13. Байнатов Ж.Б., Тулебаев К.Р.,  Базаров Р.Б., Завсеголов Н.Н.  Определение и распределение усилий по жесткостям составных  элементов селезащитного сооружения. // «Достижения науки в области стр. механики и инж. сооружений» //Материалы международ. конференции. – Алматы.: КазАТК,  2005 г. Т.2. - С. 6-13.

14. Байнатов Ж.Б., Тулебаев К.Р.,  Базаров Р.Б., Завсеголов Н.Н. Противоселевые сооружения и методы их расчета. // «Достижения   науки    в

 

области строительной механики и инж. сооружений» – Алматы: КазАТК, 2005 г. т.2. - С. 13-19.

15. Байнатов Ж.Б., Базаров Р.Б., Тулебаев К.Р. Анализ и содержание расчетных моделей ударных нагрузок селевых потоков. // Вестник КазГАСА   2005, № 2-3  - С. 62-72. 

16. Байнатов Ж.Б., Тулебаев К.Р., Помашев О.П.  Апробация расчетных формул определения ударных нагрузок от селевых потоков.// Вестник  НИА  РК., 2005, № 4 - С. 31-35.

17. Байнатов Ж.Б., Тулебаев К.Р.,  Базаров Р.Б., Завсеголов Н.Н. Рекомендации к расчету балок круглого сечения селезащитных  сооружений сквозного типа.            //        ГУ        Казселезащита.       - Алматы,    2005г. - 38 с.

18. Тулебаев К.Р., Байнатов Ж.Б, Базанова И.А. «Конструкции подпорных стен и защитных сооружений, методы их расчета – Алматы.: Изд.  КазАТК, 2005. - 206 с.

19. Байнатов Ж.Б., Дюсембин Е.А., Тулебаев К.Р. Теоретические положения принципа возможных перемещений для расчета устойчивости крутых склонов         и         откосов        дорог.       // Магистраль,      № 6,   2006    - С. 91-97.

20. Байнатов Ж.Б., Дюсембин Е.А., Тулебаев К.Р. Теоретические методы обеспечения устойчивости отвесных склонов на основе возможных перемещений. // Магистраль. – 2006. - № 11 - С. 67-76.

21. Тулебаев К.Р. Определение несущей способности балок сквозных селезащитных сооружений при сложном напряженном состоянии. // Магистраль, - 2006г, №11 - С. 77-82.

22. Байнатов Ж.Б., Помашев О.П, Тулебаев К.Р. Ударные нагрузки грязекаменных потоков и надежность противоселевых сооружений. // М/конференция «Качество и безопасность строительства диалог по вопросам технического регулирования и    стандартизации».    – Алматы.: «КазГор», 2006г., - С. 87-91.

23. Тулебаев К.Р. Теория расчета элементов селезащитного сооружения при действии внезапно приложенных нагрузок. // Вестник КазАТК., № 4, -   Алматы., 2006г. – С. 17-24.

24. Байнатов Ж.Б., Дюсембин Е., Тулебаев К.Р. Воздействие  сползающего грунта на анкерные сваи. // «Суверенный Казахстан: прошлое, настоящее и будущее»       М/конференция.      – Алматы:      ЦАУ,        2006г.        – С. 56-64.

25. Байнатов Ж.Б., Тулебаев К.Р. Анализ конструкции и методы расчета селезащитных сооружений.        //       Вестник        ЦАУ – 2006,      № 1. – С.53-58.

26. Тулебаев К.Р. Теоретические вопросы повышения несущей способности железобетонных элементов сооружений. // Вестник КазГАСА. Алматы.:  2006г. № 3 - С. 69-76.

 

27. Тулебаев К.Р. Расчет сборных арочных селезащитных сооружений по несущей способности. //  Вестник ЕНУ им. Л.Н.Гумилева // г. Астана, 2006. № 6 – С. 117-123.

28. Тулебаев К.Р. Определение надежности арочных сооружений методом предельного равновесия.// «Транспорт Евразии XXI-века // Материалы IV-м/народной           конференции,        г. Алматы,       КазАТК, 2006 г.    - С.   49-51.

29. Байнатов Ж.Б.,   Дюсембин Е.А., Тулебаев К.Р. Определение скорости и давления скользящего грунтового массива. // Вестник КазГАСА,  2006, № 4

 - С. 76-83.

30. Тулебаев К.Р. Особенности расчета сквозного селезащитного сооружения на        сейсмические      воздействия     // Вестник КазНТУ,     2007,        1   – С. 26-30.

31. Тулебаев К.Р. Расчет селезащитного сооружения арочного типа на статические   и сейсмические   воздействия. // Вестник НИА РК,  2007г,  № 1.

 - С. 128-133. 

32. Байнатов Ж.Б., Дюсембин Е.А, Помашев О.П, Тулебаев К.Р. Новые конструкции и методы расчета противооползневых сооружений (рекомендации).         // ГУ      Казселезащита    МЧС      РК. -  Алматы, 2007г. -  51 с.

33. Тулебаев К.Р. Вероятностная оценка надежности строительных конструкций методом предельного равновесия. // «Новости науки Казахстана»,НЦНТИ РК, Алматы, 2007г, № 2, -  С. 98-104.

34.  Тулебаев К.Р. Расчет надежности противоселевого сквозного сооружения из    балочных      элементов.        // Вестник     КазНТУ,    2007г,     № 4 – С. 61-66.

35. Тулебаев К.Р. Расчет селезащитных арочных сооружений на сейсмические   воздействия. // Вестник   КазГАСА. Научный журнал, 2007, № 2, - С. 131-139.

36. Тулебаев К.Р. Теоретические основы расчета надежности структурного защитного   сооружения. //  Вестник    ВКГТУ им. Д. Серикбаева. 2007, № 2. – С. 96-99.

37. Тулебаев К.Р. К расчету сборного арочного селезащитного сооружения. // «Наука и техника Казахстана»  Павлодарского    Гос. университета им. С.Торайгырова. 2007, № 2, - С. 33-38.

38. Тулебаев К.Р.  Взаимодействие селевого потока с защитными сооружениями на железных дорогах. // «Казахстанский путь развития: его особенности, проблемы и перспективы». Материалы международной  конференции.  - Алматы, ЦАУ, 2007г. – С. 269-276 

39. Байнатов Ж.Б., Тулебаев К.Р. Характеристика и расчетные показатели снежных лавин на сплошную преграду. // «Казахстанский путь развития: его особенности, проблемы и перспективы. Материалы международной  конференции.  – Алматы: ЦАУ, 2007г. - С. 20-26. 

40. Тулебаев К.Р. К теории устойчивости откосов дорог. // Магистраль, 2007 № 14 – С. 101-108.

 

41. Тулебаев К.Р. Приложение метода предельного равновесия к многопролетным неразрезным балкам. // Вестник КазНТУ.  - Алматы, 2008г, № 1- С. 75-82.

42. Байнатов Ж.Б, Тулебаев К.Р, Тулебаев Г.К. Расчет селезащитного  сооружения на статические и динамические нагрузки. // «Современное сейсмостойкое строительство». Материалы международной конференции, г. Алматы.       5-6     июня    2008г.    – г. Алматы:.      КазНИИССА,    2008г. - С. 161-162

43. Тулебаев К.Р. Методика расчета блочного селезащитного  сооружения на силовые и осадки опор.// Вестник КазГАСА, 2007, №3-4. – С.150-156.

44. Тулебаев К.Р.,    Базанова И.А., Завсеголов Н.Н., Жаниязов Н.Л.    Моделирование расчета и элементов    защитных сооружений.   //  Вестник   КазАТК    № 3,    2008г. С. 232-238.

45.Тулебаев К.Р., Байнатов Ж.Б., Тулебаев Г.К. Исследование модели сборного арочного селезащитного сооружения со сквозными отверстиями. //Сб научных трудов УкрНИПСК им. В.М.Шимановского. – Киев, вып. 2, 2008г. – С. 159-166.

46. Байнатов Ж.Б, Тулебаев К.Р., Базанова И.А. Оценка надежности защитного сооружения методом риска.//

47. Байнатов Ж.Б, Тулебаев К.Р. Методы расчета стержневых селезащитных сооружений. // ж. Промышленное строительство и инженерные сооружения. – г. Киев. 2008г. № 3. – С. 26-31.

48. Тулебаев К.Р., Байнатов Ж.Б., Тулебаев Г.К. Экспериментальные и теоретические результаты определения устойчивости укрепленного грунта склона с учетом сдвига // Материалы V-международной научно-практической конференции «Транспорт Евразия – XXI-века, посвященной 50-летию образования единой Казахской железной дороги», октябрь, 2008г. – Алматы, КазАТК. 2008г. – С. 126-134.

49. Байнатов Ж.Б., Тулебаев К.Р., Базанова И.А. Методы расчета рамно-связевых конструкций сквозных защитных сооружений // Материалы международной научно-практической конференции «Современные проблемы механики транспортных конструкций и сооружений». //27-28 ноября 2008г. – Алматы, КазАТК, 2008г. С – 60-64.

50. Тулебаев К.Р., Тулебаев Г.К. Расчет сжато-изогнутых стержней сквозных селезащитных   сооружений. //27-28 ноября 2008г. – Алматы, КазАТК, 2008г. С – 29-37.

51. Тулебаев К.Р. Расчет двух и бесшарнирных арок методом предельного равновесия.// 27-28 ноября 2008г. – Алматы, КазАТК, 2008г. С – 21-26.

52. А.С. № 1821512 «Устройство для защиты берегов и откосов от размыва и оползней.   Авторы:  Байнатов Ж.Б., Тулебаев К.Р., Раисов О.Ж. Бюллетень № 22, 1993, - 3 с: ил.

53. Патент РК № 4343 «Устройство для моделирования движения селевых потоков». Авторы: Байнатов Ж.Б., Тулебаев К.Р. Бюлл. №1. 14.03.97. С.1-4.

54. а) Авторские свидетельства СССР и РФ по защитным сооружениям:

№№  1184886, 1191501,  1193209,  1278383,  1341320,  1366583, 1366592,  1511323,  1595998,  16113523,  1634743,  1654428,  1670030,  1701803,  1724789,  1744186

б) Патенты РК: №№  6421,   9535, 19109.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тұжырым

Төлебаев Көпсекбай Рәтқұлұлы

Жолдарды қорғайтын ғимараттардың конструкцияларын

есептеудің теориялық негіздері және таудағы табиғат құбылыстарының апаттарын болжаммен бағалау

05.26.02 – Төтенше жағдайлардағы қауіпсіздік

 

Аймақты қауіпті табиғат құбылыстарынан қорғау және болжау саласындағы басты проблема олардың пайда болуын уақытында ескерту мен олардан қорғаудың тиімді әдістерін жасау болып табылады. Жұмыста конструкциялық шешімдер және сел тасқыны, қар мен топырақ көшкіндері  сияқты қауіпті табиғат құбылыстарынан қорғаудың ғылыми негізделген, болжамданған әдістері ұсынылады.

Жұмыстың мақсаты: қорғайтын ғимараттардың конструкцияларын және олардың көтергіштік қабілетін анықтай түсетін есептеудің теориялық әдістерін жасау, топырақ қысымын анықтау теориясын жасау, қар мен топырақ көшкіндерінің жылжуын ықтималды болжаммен бағалау, олардың қысым әсерін анықтау және ғимараттардың беріктігі мен орнықтылығын эксперимент арқылы тексеру.

Зерттеудің міндеттері: конструкцияларды жасау; есептеудің статикалық және ықтималдық әдістерін құру; топырақ қысымын анықтау теориясын жасау, сел тасқынының, қар мен топырақ көшкіндерінің жылжуының апаттарын болжаммен бағалау; соққының қысым әсерінің теориялық формуласын қорытындылау және селдің әсер ету күштерінің эпюрасын экспериментті жолмен анықтау; көшкіннен қорғайтын конструкциялардың беріктігін және құламалардың орнықтылығын жылжуға тексеру.

Жұмыс қорытындысының ғылыми жаңалығы: елді мекендер, таудағы жолдар мен құрылыс объектілерін қорғайтын көптеген ғимараттар жасалды; есептеудің беріктік және ықтималдық әдістері ұсынылды; тасқындар мен көшкіндердің апаттық көрсеткіштеріне сәйкес тиімді  жұмыс істейтін  ғимараттарды орналастыру орындары негізделген; ғимараттардың құрамына қаттылық ядросы енгізілген; қаттылық ядросы ғимараттың қауіпсіздігі мен оның жөндеусіз ұзақ мерзімдік қызметін қамтамасыз етеді; осыған сәйкес қаттылық ядросы бар стержінді рамалық жүйені есептеу әдісі жасалған; көпфакторлы талдауды ескеріп топырақ көшкіні бар массивтің жылжу қаупін болжаммен бағалау ұсынылды; байланысқан топырақтың қысым әсерін  дөңгелек цилиндрлік жазықтық жүйесі  бойынша анықтаудың теориясы жасалды; селдің көлденең кедергіге әсер ету күшінің өзгеру заңдылығы экспериментті тәсілмен табылды және ғимарат  элементтерінің беріктік резерві анықталды; топырақты ұстағыш рамалық жүйелердің тиімділігі  бағаланды.

Зерттеу әдістері. Зерттеудің міндеттерін орындау үшін Лагранждың вариациялық принципін, ықтималдық  және қатерлік теорияларды, шектік тепе-теңдік теориясы мен топырақ механикасын қолдану керек болды; қатерлі құбылыстарды бақылаудың көп қөлемі жасалды және қорғайтын ғимараттарға тасқындардың әсерінің үлгісін  лабораторияда жасап, арнаулы зерттеу жүргізілді; аркалы ғимаратты сынау үшін және құламалардың орнықтылығын анықтау үшін қондырғылар құрылды.

Ғылыми нәтижелердің дұрыстығы: топырақтардың, қар көшкінінің және сел тасқынының қысым әсерлерін анықтау өзіміз және  басқа авторлар жүргізген эксперименттердің қорытындыларымен салыстырылды, сонымен қатар Кулонның, Фурукаваның, Избаштың, ГрузНИИГиМ мен ҚазБСҚА-ның әдістерімен есептелген қорытындылармен салыстырылды.

Практикалық маңыздылығына  диссертацияның барлық теориялық тұжырымдарын тәжірибелік мысалдармен дәлелдеу, жобалау әдістерін ашық түрде қолдану жатады; және жасалған программа жұйенің құрамындағы элементтерді тиімді орналастыруға, конструкция мен ғимараттың геометриялық мөлшерлерін қабылдауға әсер етеді.

 Сел жүретін арнаның анықталған катастрофалық  параметрлері арқылы ғимараттарды арна бойына ғылыми негізде  орналастыруға болады.

Көшкіндердің жылжуын болжаудың топырақтың сейсмикасы ескеріліп жақсартылған әдісі беткейдің жалпы орнықтылығын бағалайды және комплекстік қорғау әдістерін негізді түрде анықтайды.

Беткейдің эксперименттік әдіспен анықталған қауіпсіз  құламасы топырақты ұстайтын қаданың тереңдігі мен жиі орналастыруын нақты анықтайды. Қаданың ұсынылған төртбұрышты көлденең қимасы топырақ массивінің  орнықтылығын орай ағу кедергісінің көбеюі арқылы арттырады. Жүйенің құрамына қаттылық ядросын енгізу арқылы оның беріктігін өсірудің ұсынылған жаңа әдістері, кесілмеген аралықтар мен элементтердің көлденең қимасының пішінін өзгерту ғимараттың жөндеуі мен пайдалану беріктігін арттырады.

Жұмысты енгізу дәрежесі. Зерттеудің нәтижелері «Қазселденқорғау» мемлекеттік кәсіпорнында таудаға автомобиль мен темір жолдарды қорғайтын ғимараттар есебінде құрылыс салуға және оны пайдалану үшін енгізілді. Есептеу және графоаналитикалық әдістері, аномальдық құбылыстар мен қорғайтын ғимараттарға арналған оқулық  М.Тынышпаев атындағы ҚазККА, ҚазБСҚА және ОАУ оқу орындарында оқу курстарында қолданылды.

Болжаммен бағалау зерттеулері, есептеу әдістері және қорғайтын ғимараттардың жаңа конструкциялары «Қазселденқорғау» МК, Алматы қаласының төтенше жағдайлар департаментіне құрылыста пайдалануға берілді.

Топырақты ұстайтын жерасты рамалардың конструкциясы мен  есептеу әдістері «Қазселденқорғау» МК,  «Алматыгипрогор-1» ЖИ  құрылыста және жобалауға  пайдалануға берілді.

Автордың жеке сіңірген еңбегі. Автордың жеке өзі проблеманы дұрыс қоя білді, барлық есептерді жинақтап анықтады; оларды шешудің теориялық және эксперименттік жолдарын іздестіріп тапты, ғылыми және практикалық ұсыныстар мен оларды дұрыс талдау жасады.

Алынған СССР мен РФ-ның авторлық куәліктері мен ҚР патенттерінің басым көпшілігін автордың өзі жазды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SUMMARY

Tulebayev Kopsekbay Ratkulovich

 

«Theoretical basis of design calculation of road protective construction and

predictive estimate of mountain native events' gravity»

 

05.26.02 — Safety in emergency situations

 

         An actual problem in the sphere of prognosis and defend an area against native events is before-the-fact prevention of their events and development of the effective protective actions against them. Constructive decisions, scientifically founded and predictable methods against gravity of native events such as mud torrents, snow slides and landslides are offered in the operation.

         Aim of work: development of construction, theoretical methods of protective construction with opening the bearing capacities and theory of earth pressure definition, probabilistic-prognostic definition of avalanching and landslides, definition of pressure and experimental check of solidity and construction stability.

         Research tasks are: development of construction; statistical and probabilistic methods; prognostic definition of mud torrent catastrophic, theory of earth pressure definition, avalanching and landslides; derivations of theoretical formulas of beat pressure and experimental diagram receipt ways of mud loading; solidity check of landslide construction and solidity of slope on displacement.

         Scientific newness of effort: there were developed the whole class of construction to defend of population, mountain roads and construction objects, strengthening and probabilistic methods are offered, place of location of protective constructions is founded against the catastrophic stream and snow slide  indicators; construction structure included a providing security stiffening cores and long life time without any repair  and accordingly there devised a method of box frames with stiffening core; a predictive gravity estimate of landslide mass including multivariate analysis was offered; there developed a theory of pressure definition for cohesive material by scheme of circular cylindrical surface; experimentally executed a law of changes of mud loading to barriers, defined strengthening elements of construction reserves and evaluated an efficiency of earth holding of framed system.

         Methods of testing: The decision of the assigned tasks demanded a use of various  of principles by Lagrange, the probability theory and risk, theory of limit equilibrium, soil mechanic, b much volume of full-scaled gravity events supervision and specially executed laboratorial researches which modelling a stream coupling with protective constructions. Some stands were made for model testing of arched construction and for stability rating of acclivities.

         Reliability of scientific regulations: a definition of earth pressure, avalanche and mud torrent were compared with the result of the experiments taken by us and other authors, also with the results of Kulon, Furukava, Izbash, ГрузНИИГиМ and KazMACA (Kazakh Main Architectural and Construction Academy) methods.

         Practical value includes the leading of all the theoretical regulations of a thesis to practical examples that opens the methods of projecting availability, and the worked out program is possible to the more efficient element arrangements in the systems structure, to fixing of constructions' geometrical  sizes and of all constructions.

         The set catastrophic parameters of selenium channel makes it possible to arrange scientifically and reasonably along the channel. An advanced prognosis method of landslide gathering including seismicity of the earth makes it possible to estimate parameters of the overall bent stability and reasonably set complex protective actions. An experimentally set safety steepness of the earth makes it possible to definite a depth and frequency of disposition of earth holding of poling. The offered rectangular cross-section of poling enhances a stability of earth mass.

         New offered reinforcement  methods by the way of insertion into systems structure of stiffening core, continuous flights and changes of cross-section forms make it possible to improve  a repair capability and exploitation reliability.

         Realization of work. Research results were introduced in construction practice and exploitation of mountain, motor and rail roads such as safety constructions in «Kazselezashchita» PE. Probabilistic and graph-analytic methods and tutorial by anomalous events and safety constructions are used in the courses of KazATC (Kazakh Academy of Transport and Communication) named after Tynyshpayev, KazMACA (Kazakh Main Architectural and Construction Academy) and CAU (Central Asian University).

         Researches by forecast evaluation, methods and new constructions of safety constructions were given for practice of construction and exploitation in «Kazselezashchita» PE, Department of  Emergency events of Almaty City.

         Constructions of earth holding underground frames and methods were also given for introduction into constructing practice and exploitation of roads in «Kazselezashchita» PE, «Almatygiprogor-1» PI.

         Author's personal deposit: statement of problem, forming of all the tasks, searches of their theoretical and experimental methods, scientific and practical recommendations, their analysis, and resume were personally carried out by the author.

         Most of all received author's certificate of USSR and RF, patentees of RK were personally designed by the author.