Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

В распоряжении Правительства РФ от 17.06.2008 г. № 877-р «О Стратегии развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года» планируется повысить пропускную способность железных дорог северо-запада России: Хальмер-Ю – Усть-Кара, Сыктывкар – Пермь [4]. Естественно, увеличение количества составов приведет к повышению вибродинамических нагрузок на пути, насыпи и склоновые участки. Статистика указывает, что около 7 % от всей протяженности железных дорог имеет различные дефекты, возникшие по разным причинам [1]. Одним из негативных факторов являются вибрации, возникающие при движении поездов, которые инициируют на «слабых участках» железных дорог оползни, сплывы, просадки и др. Таким образом, весьма актуальным становится вопрос изученности динамики развития оползней вблизи железных дорог, исходя из утверждения, что вибрации определенной интенсивности и продолжительности ведут к снижению несущих свойств грунтов [2, 5].

Целью наших исследований являлось выполнение экспериментальных работ, для изучения влияния вибраций, вызванных движением поезда и осложненных действиями сил склоновой гравитации в несвязных и связных грунтах.

Методы исследований основывались на комплексном подходе, затрагивающем различные аспекты решения проблемы в рамках параметрической модели диагностики развития оползней.

Основная часть

В полевой сезон 2015 г. в девяти километрах к северу от железнодорожной станции «Сыктывкар» с правой стороны относительно движения поезда из города в 15 м от железной дороги был обнаружен участок, имеющий на склонах оползневые тела четвертичных отложений. Здесь же, но уже напротив – с левой стороны склона, на удалении 17 м от железной дороги в подпочвенном слое выявлена трещина длиной более 20 м, шириной 0,1 м, глубиной до 0,7 м. Для исследований оползневых процессов был применен комплекс работ, в котором использовались следующая аппаратура и оборудование:

1) топографические – оконтуривание оползневых тел, определение угла уклона, и разности высот относительно основания насыпи и верхней точки склона (рейка нивелирная VEGA TS3M, лазерный нивелир RGK LP-106, лазерный дальномер ADA ROBOT 80, навигатор GPSmap 62s);

2) электроразведочные – определение геоэлектрического разреза для выяснения геоэлектрических параметров пород с последующей привязкой их к литологии разреза (электроразведочная станция «Электротест-С/USB» с разносами токовых электродов АВ от 2 до 270 м);

3) инженерно-геологические – отбор керна на глубинах с последующими их испытаниями (вибропенетрационный комплекс, состоящий из вибратора АЯЦМ 250 Вт, блока задания частоты колебаний ГРИВ.426449.001 с шагом ускорения 0,001 до 0,1 g, электронных часов ИЧЦ с точностью измерений 1∙10–5 м);

4) вибродинамические работы – определение динамической анизотропии грунтов, записи фонового уровня вибраций и вибраций, вызванных движением поезда (трехкомпонентная сейсмическая станция Zet 048-c с частотным диапазоном от 0,3 до 400 Гц).

Все эти методы были объединены в два самостоятельных раздела: инженерно-геологическая съемка и вибродинамическая съемка.

Инженерно-геологические работы представляли собой следующий комплекс исследований: топографические, инженерно-геологические, электроразведочные (замена бурения), вибропенетрационные.

В результате топографической съемки определены первичные признаки оползневых процессов: наличие трещин вдоль бровки, присутствие оползневых выемок ниже бровки и оползневых уступов, а также валов ближе к подножию склона. Выяснены классификационные признаки оползней [3]: по отношению к склону – на склоне и с захватом подошвы склона; форма в плане – полуциркульная; характер поверхности – ровный; глубина захвата – от поверностного до мелкого; число поверхностей скольжения – два; происхождение поверхности скольжения – оплывины, верхняя поверхность скольжения и срезающе-консеквентное вторая, нижняя поверхность скольжения; крутизна поверхности скольжения – пологая; типы оползающих пород – пески по глинам; характер двигающихся масс – массивные пакеты; искусственное изменение профиля склона – подрезка; смешанные источники сил, двигающих породы, – вес породы и сотрясения; внутреннее изменение в породах, уменьшающее их устойчивость – размягчение; характер и форма увлажнения – по слоистости; тип оползания – деляпсивный. Были построены четыре профиля, три из которых пересекают оползневые тела. В таблице (табл. 1) даны основные параметры склона: относительная высота от бровки до уреза, длина участка склона, угол уклона; также даны основные параметры оползней: объем оползневого тела, угол скольжения оползня, толщина оползневого тела.

Из таблицы видно, что все оползневые тела по размерам относятся к мелким, наиболее крупное из них находится на линии профиля 2. Здесь была сделана расчистка склона и отобраны пробы для вибропенетрации из слоев: почвенно-растительный (0–0,15) м; супесь (0,15–0,35) м; песок крупный (0,35–0,8) м; глина (0,8–1,5) м; песок мелкий, средней степени водонасыщения (1,5–2,9) м. Эти грунтовые данные были использованы для привязки к геоэлектрическому разрезу. Ошибка геоэлектрической модели разреза по замеренным кривым КС составила менее 1 %. Поэтому геоэлектрический разрез вполне может соответствовать геологическому разрезу до глубины – 10,0 м, что достаточно для изучения оползней с мелкой глубиной захвата. Левая сторона склона нами не исследовалась проводилась только электроразведка, которая выявила идентичность геоэлектрических разрезов правой и левой стороны. Однако с целью мониторинга за ее дальнейшими подвижками с каждой стороны трещины были вбиты колышки-маркеры на расстоянии один метр. Исходя из топографических данных и геоэлектрического разреза была построена модель развития оползня левой и правой стороны склона (рис. 1).

Далее отобранные грунты с «ненарушенными» структурными связями (не нарушены кернотборником, но нарушены вибрациями поездов) были подвержены вибродинамическому нагружению с целью определения количественного характера уплотнения с фиксацией критических ускорений перехода от положительной к отрицательной дилатансии. Мелкие пески начинают уплотняться с ускорения 0,162 м/с2, по мере увеличения вибродинамической нагрузки уплотнение происходит в несколько стадий: 0,254; 0,278; 0,469 м/с2. Критическая величина – 0,516 м/с2, при дальнейшем росте ускорения – до величины 0,561 м/с2 – грунты полностью разрыхляются. Крупные пески имеют несколько большую величину начальной стадии уплотнения – 0,469 м/с2, однако процесс отрицательной дилатансии начинается с той же величины, что и для мелкозернистых песков – 0,516 м/с2. Для образца смешанного типа, имеющего акустическую пограничную зону между пластичными и зернистыми грунтами, процесс отрицательной дилатансии песка начинается при значении 0,469 м/с2. Из этих испытаний следует, что зернистые грунты, залегающие вдоль железной дороги, проходят следующие стадии динамического отклика: слабое уплотнение, уплотнение с разрушением связей, разрыхление – со значений 0,516–0,561 м/c2. В таблице (табл. 2) приведено сравнение предельных ускорений устойчивости грунтов, отобранных вблизи железнодорожной дороги и отобранных с территории г. Сыктывкара. Их различие свидетельствует о том, что вибрация, вызванная движением поездов, имеет более существенное влияние, снижая одновременно предельные значения ускорений как в положительной, так и в отрицательной области дилатансии в 1,5–2,0 (36–55 %) раза.

Таблица 1

Результаты топографической съемки оползневых процессов

Обозначения: ΔН – относительная высота участка склона, м; ΔS – длина участка склона, м; αскл – трендовый угол уклона склона, град; V – объем оползневого тела, м3; αо – трендовый угол зеркала скольжения, град; Δh – толщина оползневого тела, м.

Рис. 1. Модель развития оползней на правом и левом склонах относительно железнодорожного полотна: 1 – несвязные грунты, 2 – связные грунты, 3 – поверхности скольжения

Таблица 2

Сравнение предельных ускорений устойчивости грунтов вдоль железнодорожного полотна и городской территории

Примечания: а0 – минимальное ускорение начала уплотнения грунтов; аmax – максимальное ускорение при уплотнении грунтов с последующим разрыхлением; S, м – максимальная величина уплотнения; % – процентное соотношение ослабления грунтов вдоль ЖД относительно территории города.

Вибродинамические исследования выполнялись в два этапа:

На первом этапе определена динамическая анизотропия грунтов с помощью падающего груза массой 16 кг с высоты 1,07 м, создающего энергию удара 168 Дж (10 повторов). В результате удара со стороны ЖД (Ю-З) на удалении 15 м почвенный слой от точки возбуждения сдвигается с пиковой амплитудой ускорения – 0,000606 м/с2. Перпендикулярно ему с С-З стороны, при той же энергии удара – с амплитудой 0,001018 м/с2. Проверочное измерение в обратном направлении, со стороны Ю-В, показало величину – 0,001008 м/с2, откуда следует, что относительная ошибка ударного воздействия составляет 0,98 %. Таким образом, угол подхода прямой волны, образующийся в условиях минимальной величины декремента затухания относительно направления движения поезда – равен 0° (Аz = 120°). Наибольшее сопротивление среды ожидается под углом 90° (Аz = 30°), перпендикулярно к направлению движения поезда. При этом передаваемая через грунт вибрация зависит от условий местности, при которых происходит усиление или ослабление амплитуды прямой волны:

1) прямая волна, идущая от ЖД в сторону склона, испытывает эффект влияния топографического фактора, где в верхней точке усиливается амплитуда сигнала. С другой стороны, слой песка, имеющий высокий акустический импеданс, снижает ее;

2) прямая волна, идущая с Ю-В, быстрее распространяется по глинам и влажным пескам с более низким импедансом, максимально сохраняя при этом свою первоначальную амплитуду волны;

3) изменение сигналов в точке приема на данных расстояниях близко к закону линейного убывания.

На втором этапе определены уровни вибродинамических воздействий от движения поезда, состоящего из тепловоза 2ТЭ10М (138 тонн) и семи вагонов (1 вагон – 60 тонн) на склоне. Очевидно, что длина и скорость поезда определяют силу и время воздействия колебаний. Исходя из длины состава – 192 м (семь вагонов – 175 м, тепловоз – 17 м) и времени их прохождения мимо акселерометра (т.н.) – 20 с, вычисляем скорость движения поезда – 9,6 м/c (34,6 км/ч). Непрерывные записи двухмерных спектров Фурье (рис. 2, а) позволяют проследить характер изменения уровня вибраций относительно т.н. Извлекая одномерные спектры в выбранный момент времени (рис. 2, б), начиная от минимальных – фоновых значений – до максимальных, а далее опять до фоновых, мы получим новые функциональные зависимости, отвечающие значениям среднеквадратичных ускорений движения почвы с соответствующими частотами колебаний (рис. 2, в).

а б в

Рис. 2. Динамика изменения амплитуды и частоты колебания грунтов в момент движения поезда: а – спектр 2D; б – спектр 1D; в – вибродиаграмма движения поезда при 35 км/ч; fx, fy, fz – преобладающие частоты (в Гц) по составляющим X, Y, Z; ах, ау, аz – среднеквадратичные амплитуды ускорений (в м/с2) по составляющим X, Y, Z

Общее время измерения с учетом записи фоновых замеров составило – 92 с, за это время состав прошел расстояние 883 м. Проведем полный анализ динамики смещения почвы по компонентам на всем этом пути. Начало записи соответствует промежутку времени 5–30 с, по Z компоненте фиксируются кратные волны Рэлея, по Х и Y волны Лява. Далее, на отрезке времени 30–40 с, амплитудный уровень волн расхождения постепенно начинает преобладать над амплитудами кратных волн, достигая среднеквадратичного максимума (пиковое) на 44 с: аzср.кв = 0,000462 (0,000661) м/с2. Это происходит в момент прохождения тепловоза в ближайшей к акселерометру точке, по компоненте Х, отмечается также увеличение амплитудного уровня до аxср.кв = 0,000522 м/c2; на компоненте Y отмечается кратковременное снижение амплитуды сигнала с аyср.кв = 0,000385 м/c2 до аyср.кв = 0,000371 м/c2, что связано с ориентировкой акселерометра. По компонентам Х и Y амплитуды несколько смещены ввиду динамической анизотропии амплитудного вектора давления. Далее, по мере отхода тепловоза от т.н. до момента времени 50 с, амплитудный уровень по Z компоненте снижается до величины аzср.кв = 0,000370 м/c2. Что касается Х и Y компонент, то на них отражается воздействие колебаний от вагонов, имеющих горизонтальные движения раскачки, возникающие от импульса поворота с радиусом кривизны 800 м (за 300 м до подхода вагонов поезда до т.н.), что соответствует времени 10 с на вибродиаграмме движения поезда (рис. 2, в). Таким образом, инициирующая энергия колебаний почвы при круговом равномерном движении разбивается на две составляющие, исходящие от воздействий касательной и нормальной сил. В первом случае энергия движения совпадает с продольной раскачкой вагонов, что мало влияет на колебания почвы, т.к. касательное ускорение равно нулю при постоянстве скорости. Во втором – центростремительное ускорение величиной 0,115 м/c2 вызывает силу, направленную к центру радиуса движения. Поэтому, когда поезд начинает выходить из кругового движения, эта сила дает раскачку на боковые перемещения, которые ярко выражены на диаграмме Х компоненты более низкими частотами 18–20 Гц на фоне 30 Гц по Y и 35 Гц по Z компоненте. В этих условиях критический максимум амплитуды ускорения почвы аyср.кв = 0,000812 (0,001161) м/c2 отмечается на Y компоненте в момент времени 55 с от начала записи, где воздействие тепловоза уже снижается. Горизонтальные перемещения хвостовой части поезда на компоненте Y отмечаются меньшей амплитудой ускорения ввиду ориентировки акселерометра под углом 90° к источнику возбуждения. Такой момент регистрации уровня вибраций наступает, когда тепловоз находится на удалении 142 м (5–6 вагоны) от места начала регистрации. Далее, на 60 секунде, на компоненте Х отмечается максимальная амплитуда ускорения – ахср.кв = 0,000903 (0,001291) м/c2, а именно в момент прохождения хвоста поезда на минимальном расстоянии от пункта наблюдения. В это время подстилающие грунты в пункте наблюдения в районе развития оползней подвержены максимальной энергии сдвига и кручения от вибродинамического воздействия.

Заключение

Развитие оползневых процессов на данном участке обусловлено природно-техногенными факторами, состоящими из внутренних сил напряжения склона и внешнего воздействия вибродинамического поля, исходящего в основном от движения поезда по дуге. Кроме того, при пропитке грунтов водой увеличиваются силы гравитации. В результате этих смешанных сил происходят существенные изменения несущих свойств грунтов, лежащих вблизи путей, которые в итоге проявляют себя снижением уровня положительной дилатансии на фоне одновременного снижения предельных значений отрицательной дилатансии, снижением угла откоса для песков и снижением сопротивления по сдвигу для глин.

Ввиду того, что амплитуда ускорения смещения почвы в зоне затухания прямых волн, исходящих от движения поездов, больше (на 20–30 %), чем от автомобильного транспорта, а продолжительность вибрации превышает в десятки раз, то процесс восстановления структурных связей в этих грунтах более затруднителен. Поэтому грунты вблизи железных дорог отличаются снижением степени устойчивости к внешнему вибродинамическому воздействию в 1,5–2 раза по сравнению с грунтами, подвергающимися воздействию движения автомобилей и городского шума.

С точки зрения возможности возникновения чрезвычайных ситуаций от оползневых процессов на данном участке железной дороги, по нашему мнению, их следует ожидать не с правой, а с левой стороны полотна по отношению к движению поезда от станции «Сыктывкар». Здесь, согласно нашей модели, в будущем возможны грунтовые подвижки более глубокого генезиса с включением нижних горизонтов – пластичных суглинков, с потенциалом, во много раз превышающим потенциал оползней правой стороны.