Разработка моделей влияния подработки на продольный профиль автомобильных дорог

УДК 625.7:662

РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ВЛИЯНИЯ ПОДРАБОТКИ НА ПРОДОЛЬНЫЙ ПРОФИЛЬ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

В.А. Пеньков, доцент, к.т.н., АДИ ДонНТУ

Аннотация. Рассмотрены различные этапы разработки моделей деформирования земной поверхности под влиянием подземных горных работ, моделирование продольного профиля автомобильных дорог и его деформации в различных условиях. Обоснована необходимость, определены пути и направления дальнейших исследований.

Ключевые слова: подземные горные работы, автомобильные дороги, деформации.

Введение

Разработка угольных и других месторождений полезных ископаемых приводит к значительным сдвижениям земной поверхности и деформациям зданий и сооружений. Кроме того, при разработке угольных месторождений с крутым падением пластов происходит образование участков локальной кривизны - уступов. Их воздействие на объекты приводит к еще более существенным повреждениям сооружений вплоть до полного разрушения. Специальные исследования влияния подземных горных работ (ИГР) на автомобильные дороги до последнего времени не выполнялись, поэтому существующие нормы проектирования влияние этого фактора не учитывают.

В Автомобильно-дорожном институте Донецкого национального технического университета с 1974 г. ведутся исследования деформаций земной поверхности, зданий и сооружений на подрабатываемых территориях. Они послужили основой для разработки рекомендаций по застройке нескольких микрорайонов в г. Горловке Донецкой обл.

Цель и постановка задачи

Учитывая накопленный опыт и наличие результатов многолетних натурных исследований в 1996 г. была предложена концепция научно- технической программы «Автомобильные дороги на техногенно-деформированных территориях» [1]. В соответствии с ней необходимо выполнить комплексные исследования влияния подземных горных работ на автомобильные дороги.

Разработка моделей поверхности

На начальном этапе изучения деформаций земной поверхности были рассмотрены и оценены пред-

посылки моделирования деформаций земной поверхности, объектов дорожного строительства. Для моделирования подземных горных работ на этом этапе использовались нормативные документы по технологии разработки полезных ископаемых подземным способом и материалы натурных измерений. Иринимались условия разработки одиночного пласта при переменных: угол падения, мощность пласта, размер выработки, глубина залегания.

Для описания деформированной поверхности земли подрабатываемой территории без образования уступов отобраны наиболее подходящие зависимости для моделирования горно-технических условий и параметров деформации. Мульда рассматривается как поверхность выпукловогнутой кривизны с основными параметрами: величины оседания максимальная и в текущей точке, длина мульды вкрест простирания, протяженность в пределах рассматриваемого участка, расстояние от начала мульды до текущей точки.

Ири этом установлено:

1. Для автомобильных дорог как линейных сооружений, взаимодействующих с различными достаточно удаленными между собой участками деформированной земной поверхности необходимо использовать зависимости для описания всей этой поверхности (мульды сдвижения).

2. Степень воздействия ИГР на земную поверхность зависит не только от положения рассматриваемого участка в мульде, но и от его размеров.

3. Поверхность дороги при подработке оседает и деформируется вместе с земной поверхностью, и имеет практически такие же величины оседаний.

4. Изменения геометрических параметров участков, соизмеримых по длине с длиной пикета, можно описывать известными в маркшейдерии зависимостями для шага дискретности 15-20 м.

5. Для моделирования условий крутого падения допустимо так же использовать известные зависимости в тех же пределах.

6. Для описания деформаций на уровне «ровность», то есть в интервале 0,5-3,0 м опубликованных результатов исследований не было.

7. Для моделирования проявлений локальной кривизны при крутом падении пластов - уступов, требуется разработка моделей их геометрии, типизация схем и условий образования.

Разработка моделей продольного профиля

На втором этапе ставилась задача выявления и оценки влияния ИГР на параметры продольного профиля автомобильных дорог [3-5].

В качестве модели продольного профиля рассматривались прямолинейные и криволинейные в профиле и прямолинейные в плане участки с уклонами и радиусами в пределах допустимых для принятых категорий дорог.

Выполнялось моделирования взаимодействия мульды с различными элементами продольного профиля дороги. Ири этом определялись численные значения на уровне оценок и порядок изменений параметров. В итоге были получены зависимости первого приближения для оценки влияния ИГР на элементы дороги.

Безусловным положительным итогом этих работ следует считать основанные на многолетних наблюдениях выводы о значимости влияния ИГР на качественные показатели дорожного строительства и о необходимости продолжения работ и выполнения более детальных исследований. Вместе с тем, при использовании для моделирования зависимостей и рекомендаций, приведенных в [4], выявлено ряд недоработок.

В этих работах нечетко отражены возможные условия ведения подземных горных работ в Донбассе и реальные пределы их влияния, особенно в городских условиях. Практически не рассматривался и не учитывался временной фактор.

Все эти и ряд других, не менее важных обстоятельств, а также необходимость оценки влияния ИГР на городские дороги, улицы и площадки, обусловили необходимость дальнейшего развития исследований. Частично пересмотрены имеющиеся результаты с целью повышения их надежности. Ирактическая реализация предложений так же показала значительные неудобства при использовании полученных зависимостей. Они отмечались как при воспроизведении результатов, так и при использовании в практике градостроителей и дорожников при моделировании взаимодействия мульды и дороги. Имели место излишние требования к детализации сведений о горных работах. Кроме того, проявились и дру-

гие важные вопросы, которые в свое время не принимались к рассмотрению.

Иоэтому признано целесообразным, в определенной мере, упростить методику оценки изменений параметров дорог и сделать ее более доступной для понимания и использования, специалистами дорожного профиля. Указанные недочеты понятны и естественны, так как исследования выполнялись впервые на сложном межотраслевом стыке достаточно отдаленных наук и научных дисциплин. Для успешного развития исследований в дальнейшем были определены основные вопросы, требующие более детального изучения, дополнения и уточнения.

1. Необходима разработка критериев допустимого влияния ИГР на все элементы дорог и, в том числе, на геометрические параметры дорог. Геометрические параметры дорог делить на два вида: 1-й вид - определяющие пространственное положение оси относительно внешней системы координат, и 2-й вид - определяющие положение отдельных элементов относительно оси. Для каждого из них необходимо установить допустимые пределы влияния ИГР.

2. Совершенствование методики анализа и оценки значимости деформаций элементов дорог под влиянием ИГР должно включать совершенствование разработанных структурных схем и моделей дороги, мульды и подработанной дороги.

3. Необходимы исследования не только подработки одиночных дорог общей сети, но и учет особенностей влияния ИГР на сеть городских дорог.

4. Требует научной оценки надежность и достоверность имитационного моделирования влияния ИГР, имеются существенные неясности и затруднения даже при интерпретации результатов исследований.

5. Результаты исследований, предложения и рекомендации должны быть представлены в виде, доступном для четкого понимания и использования специалистами дорожного строительства.

Все эти вопросы стали темой исследований на третьем этапе. Были переработаны расчетные схемы мульды и дороги, пересмотрена модель влияния ИГР на продольный профиль, в первую очередь с целью упрощения и доступности для понимания специалистов дорожного профиля.

Новая модель взаимодействия мульды оседания и продольного профиля дороги предполагает, что мульда и дорога как отдельные системы могут быть представлены в виде математических моделей разной сложности. Исследования выполняются в единой пространственной системе координат, принятой в дорожном строительстве. Она является локальной с известными элементами ориентирования по отношению к геодезической системе координат. В качестве модели дороги

принят участок, состоящий из наклонных прямых, выпуклой и вогнутой вертикальных кривых. Иеременными являются длина участка, уклоны и радиусы и типы вертикальных кривых.

Для описания мульды сдвижения используется типовая кривая, адаптированная к условиям моделирования. В отличие от [3, 4], начало мульды принимается в конце полумульды по падению. Это дало возможность получить единую зависимость для определения параметров мульды по всей ее длине и описывать их в принятой «дорожной» системе координат. Исходными данными для моделирования мульды являются максимальное оседание, длина исследуемого участка взаимодействия и длины полумульд. Ири моделировании длина мульды принимается кратной длине кривой с коэффициентом К = 0,2... 4,0. Такой подход позволяет унифицировать схему взаимодействия, накладывать мульду на любой участок трассы и привязывать полученные результаты к дорожному пикетажу. Описание мульды выполняется так же, как и описание дороги на продольном профиле - слева направо. Иолучены зависимости для определения оседаний, высот точек деформированных участков профиля, уклонов и кривизны этих участков при стандартном интервале между точками, равном 20 м.

Анализ результатов исследования деформаций земной поверхности при интервале между точками 0,5-10,0 м позволил установить новые закономерности изменения геометрических параметров в этом диапазоне и оценить возможное влияние ИГР на ровность. Ио выполненным оценкам оно оказалось значимым, как и изменения ровности, так и других транспортно-эксплуатационных показателей дорог, прямо или косвенно связанных с ровностью. Дальнейшие исследования деформаций профиля на уровне ровности направлены на создание более полной модели, учитывающей деформации всей поверхности участка при широком диапазоне длин волн. В такой модели профиля имеются предпосылки представления его рядом Фурье - периодически повторяющимися неровностями с различными частотами и амплитудами. Число синусоидальных функций определяется заданной степенью точности описания профиля.

Отдельной темой в последнее время стало моделирование проявлений локальной кривизны -уступов. На основе имеющихся многочисленных и долговременных исследований развития уступов были разработаны модели профиля и поверхности уступа. На их основе выполнена типизация и систематизация типов взаимодействия уступов и дороги. Были разработаны и реализованы программы для компьютерного моделирования такого взаимодействия. Иоследние исследования уступов позволяют еще больше уточнить как мето-

дику расчета высоты и поверхности уступов, так и обосновать прогноз его местоположения.

Результаты моделирования с использованием новой модели деформирования профиля показывают, что кроме собственно процесса геометрический изменений и преобразований нужно учитывать временной фактор и возможные в течение заданного времени изменения как геометрии дороги, так и параметров подработки.

Заключение

Выполненные исследования показывают возможность моделирования влияния подземных горных работ на параметры автомобильных дорог. Выявленные особенности указывают на сложность проблемы и необходимость изменения требований к составу и качеству исходной информации.

Литература

1. Бшятинський О.А., Пеньков В.О., Шилш 1.В.

Концепщя науково-техшчно! програми «Автомобшьш дороги на техногенно-деформованих територiях»// Автошляховик Украши. - 1996. - №3. - С. 35-37.

2. Бшятинський О.А., Пеньков В.О. Оцшка

впливу тдземних прничих робгг на рiвнiсть автомоб№них дор^ // Автомоб. дороги i дор. буд-во. - 1997. - Вип. 56. -С. 159-162.

3. Бшятинський О.А., Пеньков В.О., Шилш 1.В.,

Губанова М.Г. Вплив тдземних прничих робгт на профшь автомобшьно! дор^и // Автомоб. дороги i дор. буд-во. - 1997. -Вип. 54. - С. 173-178.

4. Бшятинський О.А., Пеньков В.О., Шилш I. В.

Про вплив тдземних прничих роби' на профшь дороги та витрати палива // Автомоб. дороги i дор. буд-во. - 1998. -Вип. 56. - С. 118-125.

5. Пеньков В. А., Сирик А.Г. Влияние подработки

на городские улицы и дороги. // Мютобу-дування та територiальне планування. - К.: КНУБА .- 1999. - Вип. 4. - С.98-105.

6. Пеньков В. А., Сирик А.Г. Перспективы иссле-

дований влияния локальной кривизны на городские улицы и дороги Донбасса // Мю-тобудування та територiальне планування. - К.: КНУБА . - 2000. - Вип. 6. - С.126-133.

7. Пеньков В.А., Сирик А.Г. Параметры зоны

геометрического воздействия локальной кривизны на городские улицы и дороги // Мютобудування та територiальне планування. - К.: КНУБА. - 2000. - Вип. 7. -С.152-165.

Рецензент: В.В. Филиппов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 20 января 2005 г.