Наука
Добрата практика от изграждането на скални откоси по пътищата на Австралия
Проф. д-р инж. Чавдар Колев,
ВТУ „Тодор Каблешков“
Проблемите със скалните откоси по пътищата и жп линиите най-често са предизвикани от срутване и търкалящи се камъни – явления, които са недопустими за нормалната експлоатация. Направата на скални откоси по новите пътища и жп линии, както и при реконструкция на съществуващите такива е съществена част от проектите в няколко аспекта: технически, икономически, безопасност на движението, природосъобразност, добиване на скален материал за строителството и др. Поотделно тези аспекти са били тема на редица научни изследвания в целия свят от дълго време, даже немалко кръгове у нас считат въпроса за решен до неговия практически оптимум. Това твърдение обаче не е вярно и в наши дни теорията и практиката по въпроса е напреднала твърде много до степен, при която родният ни опит всъщност е доста назад от най-добрите примери.Проблемите със скалните откоси по пътищата и жп линиите най-често са предизвикани от срутване и търкалящи се камъни – явления, които са недопустими за нормалната експлоатация. Направата на скални откоси по новите пътища и жп линии, както и при реконструкция на съществуващите такива е съществена част от проектите в няколко аспекта: технически, икономически, безопасност на движението, природосъобразност, добиване на скален материал за строителството и др. Поотделно тези аспекти са били тема на редица научни изследвания в целия свят от дълго време, даже немалко кръгове у нас считат въпроса за решен до неговия практически оптимум. Това твърдение обаче не е вярно и в наши дни теорията и практиката по въпроса е напреднала твърде много до степен, при която родният ни опит всъщност е доста назад от най-добрите примери.
Повърхностите на скалистите склонове по пътищата на Австралия са идеално гладки[/caption]I. Описание на проблема
Скалните откоси най-често нямат гладка повърхност и техните наклони са само приблизително съответстващи на проектните стойности. Фактори за тяхната гладкост са твърдостта на скалите, същността на разрушението при взривяване, възможностите на строителната механизация, умението на технолозите и техническите ръководители, нивото на националните стандарти и др. Впрочем, напоследък има и положителни примери по новия участък от автомагистрала „Хемус“ непосредствено след разклона за Ябланица.
Грапавата повърхност на скалите концентрира напреженията в ръбовете и така генерира ускорено изветряне, ерозия и др. разрушителни процеси в скалата. Покачването на водния стълб в скалния масив при валежи и през влажни сезони създава хидростатичен и хидродинамичен натиск, който изтласква и срутва скални клинове и т.н. Иначе казано, ако скалните откоси бъдат построени гладки, те няма да изискват експлоатационни разходи и ще удовлетворяват всички останали изисквания за устойчивост, безопасност, природосъобразност и т.н.
2. Концентрацията на напреженията в грапавините като причина за разрушението
Промяната на напречното сечение води до нарушаване на равномерното разпределение на напреженията, т.е. създава се концентрация на напрежения. За да определим количествено съотношението за концентрация на напреженията: N ımaxıx , използваме т.нар. коефициент за концентрация на напреженията. Колкото по-фрапираща е промяната в напречното сечение, толкова по-голям е коефициентът на концентрация на напрежение.
Концентрацията на напреженията върху произволни грапави повърхности е сложна задача за аналитично разрешаване, но е от голямо значение за практиката в много области на техниката, в т.ч. и скалната механика. Всъщност, необходимо е да знаем как местата с аномалии във формата или в качествата на материала се превръщат в язви и започва тяхното разрушаване. Точното математическо решение може да се извърши посредством уравненията на Navier-Stokes, макар да изисква доста усилия за проучване и направа на модела. На сегашния етап скалната механика приема скалата като еластична, хомогенна и изотропна, характеризираща се с модул на Young E и коефициент на Poisson ȣ. Така са формулирани за анализ прости геометрични линии, описани като функции f (x): Косинусов отрез, Гаусов отрез, параболичен отрез, полуелипсовиден профил и вълнообразна повърхност.
[caption id="" align="alignright" width="458"]
Склоновете са направени гладки независимо от тяхната височина. Така те имат трайност и добър естетичен външен вид[/caption]Грапавите повърхности търпят деформации под въздействието на протичащите около и през тях напрежения. Критичните стойности на тези напрежения и деформации са точно по гънките на формата. Когато напреженията и деформациите в граничните участъци достигнат критични стойности, настъпва разрушение. Дори малки случайни грапави повърхности могат да увеличат напрежението около себе си от 1,5 до 3 пъти. С апарата на физико-химията е установено, че напреженията на опън в кварца (SiO2 ) увеличават електростатичния потенциал за молекулите на кислорода О2 , съдържащ се във водата, да се свързват към силиция Si. Също така напреженията увеличават хибридизацията на Si и O орбиталите. Този механизъм насърчава разрушаването на съществуващите връзки Si-O и така създава повече свободни молекули Si, изложени на по-нататъшната атака на околната среда. Освен това е установено, че така нареченият процес на реактивен пласт се инициира от концентрации на високо напрежение, създадени в дъното на прорезите. Това е накратко механизмът, който на физико-химично микрониво води до изветряне, респ. разрушение на скалите в местата с концентрация на напреженията.
3. Добрата практика в Австралия
Практическото потвърждение на хипотезата беше намерено по време на научната ми експедиция в Австралия през 2013 г. Гледах старите и новите пътища от всички категории в Нов Южен Уелс и Куинсланд. Оказа се, че без изключение те имат идеално гладки повърхности по скалистите си склонове, а в петите на склоновете не са паднали никакви отломки или ерозионен пясък. На практика няма случаи на падащи камъни по пътищата и железниците.
Повърхностите на скалистите склонове по пътищата на Австралия са идеално гладки, както се вижда от снимките. По този начин няма концентрация на напрежение върху скалната повърхност, няма предпоставки за ускорено изветряне и деформация. Очевидно е, че след майсторски взрив пробивът е много добре механично подравнен.
Да не забравяме, че добивната промишленост на Австралия има дълга традиция за достигане на много високо ниво на развитие. Очевидно взривяването се извършва майсторски с голяма точност. Направените контролирани силови взривове пазят скалистия склон далеч от големи пукнатини. Това е предпоставка за постигане на гладка наклонена повърхност.
Цялата скална маса, произведена от пробива, е вложена на базата на новия път. Дължината на пътя е 1000 км. Това е смисълът да се направи окоп вместо тунел.
Склоновете са направени гладки независимо от тяхната височина. Така те имат трайност и добър естетичен външен вид.
4.Технология на гладките скални откоси
[caption id="" align="alignright" width="558"]
Резачката ще изреже напуканата повърхност и ще я превърне в гладка неизкривена равнина[/caption]Въпросът е каква механизация може ефективно да оформи такива гладки скали? По принцип може да се постигне с фрези с цилиндрични барабани. Преди това обаче изкопът трябва да бъде запълнен с умело контролирано насочено взривяване. Взривовете трябва да бъдат насочени изцяло навътре към изкопа, а не навън към склоновете. По този начин пукнатините, причинени от експлозията, ще бъдат не по-големи от 10 mm по стените на изкопа. Резачката ще изреже напуканата повърхност и ще я превърне в гладка неизкривена равнина
Когато стените са гладки, изветрянето на скалата не създава опасна ситуация. Гладките скали не изискват разходи за поддържане.
5. Сравнение с традиционните методи за укрепване у нас и в Европа
В Европа няма традиция да се правят такива гладки откоси. Усилията на строителите се свеждат до постигане на средната стойност за проектния наклон на откоса. Грапавата повърхност се компенсира от защитна метална мрежа. По този начин обаче не се постига трайност и в бъдеще са необходими средства за поддържане и ремонт на откосите и мрежите. Естетичният вид на мрежите също не е достатъчно добър за окото.
Често и взривяването не се изпълнява точно и по този начин постоянно са необходими средства за поддържане на наклона, а най-добрият естетически вид просто липсва.
6.Техно-икономически аспекти
Разликата в качеството на двата подхода е очевидна! По-високите разходи в строителството (взривни изкопи и фрезоване) не изискват разходи за поддръжка и ремонт. Обратно, по-ниските разходи без фрезоване изискват всяка година средства за поддръжка, ремонт и укрепване.
7. Заключения
- Гладките склонове имат по-висока строителна стойност, но са напълно безопасни и не изискват разходи за поддръжка. Внимателното съпоставяне на приведените разходи за гладки и грапави откоси недвусмислено потвърждава предимството на гладките откоси.
- Време е чрез нормативни изисквания да се постигне гладко изпълнение на скалните откоси.
Грапавата повърхност се компенсира от защитна метална мрежа. По този начин обаче не се постига трайност и в бъдеще са необходими средства за поддържане и ремонт на откосите и мрежите[/caption][caption id="" align="aligncenter" width="478"]
По-ниски разходи за строителство и нужда от постоянна поддръжка
По-високи разходи за строителство, но без разходи за поддръжкаЛитература:
[1]. Medina H. - A stress-concentrationformula generating equation for arbitrary shallow surfaces - International Journal of Solids and Structures 69–70 (2015) 86–93.
[2]. Daihua Zou & P. K. Kaiser - Determination of in situ stresses from excavation-induced stress changes, Rock Mechanics and Rock Engineering volume 23, pages167–184, 1990.
[3]. Колев Ч. – Критика на изпълнението на скални откоси по новите пътища и жп линии - Сб. доклади от IX Международна конференция по геомеханика, 8 – 10 септември 2020, Варна.
[4]. Колев Ч. – Възможности за решително подобряване на качеството при направата на скални откоси по пътищата - Сб. доклади от IX Международна конференция по геомеханика, 8 – 10 септември 2020, Варна.
