Специфика конструкций инженерной защиты, применяемых в условиях статических и динамических нагрузок

В компании Маккаферри существует отдел, работа сотрудников которого связана с защитой от опасных геологических процессов. И они неоднократно отмечали, анализируя рынок, что свойства многих систем защиты сводятся проектировщиками к отдельным характеристикам конкретных материалов, тогда как единственным верным вариантом оценки эффективности и работоспособности таких систем является комплексный анализ не только свойств составных компонентов (сетки, анкеров, стоек и пр.), но и их совместной работы.

Очевидно, что проблема обрушения скальных массивов наиболее актуальна в местах расположения различной инфраструктуры, в том числе транспортной, а также в населенных пунктах. То есть там, где опасное геологическое событие может нанести реальный ущерб сооружениям, имуществу людей или угрожать их жизни и здоровью. Как отмечено в отчете о глобальной оценке снижения риска бедствий (GAR) за 2019 год, люди и имущество во всем мире все чаще подвергаются различным опасностям и рискам в тех местах, где они ранее не отмечались или были значительно слабее. Именно поэтому ошибки проектировщиков инженерной защиты имеют катастрофические, необратимые последствия.

Когда обсуждается инженерная защита в горной местности, а также на любых других участках, где существует опасность гравитационных процессов, ключевым моментом при проектировании защитных сооружений является выбор мест их установки. Именно местоположение (и, соответственно, принцип действия) является определяющим фактором при выборе материалов, из которых будет изготовлена защитная конструкция.

Рис. 1. Влияние местоположения защитных систем на их тип

Большинством производителей предлагаются следующие варианты инженерной защиты от гравитационных процессов: снегоудерживающие барьеры, сетчатые системы драпировки, камнеулавливающие барьеры, селеулавливающие барьеры, камнеулавливающие насыпи. Они, соответственно, могут быть размещены в зоне отрыва/зарождения, в транзитной зоне, в зоне воздействия или в зоне аккумуляции. Инженерная защита в каждой зоне имеет свою специфику.

При выборе защитных систем для каждой из вышеперечисленных зон, следует учитывать, что все нагрузки делятся всего на два типа – статические (постоянное давление) и динамические (ударное воздействие).

В зонах зарождения и отрыва наблюдаются статические нагрузки. Главная задача защитных систем, расположенных здесь, – длительное удержание потенциально опасных масс – грунта, снега и частей скального массива. В остальных зонах на защитные сооружения воздействуют динамические нагрузки. Основная их задача в данном случае – гасить энергию движущихся масс и даже останавливать их.

Какими свойствами должны обладать материалы защитных систем в зоне отрыва (статические нагрузки)

Для испытаний материалов и готовых защитных систем в условиях воздействия статических нагрузок в Европе применяется так называемый Тест на продавливание (Punching Test), который выполняется как в лабораторных, так и в приближенных к естественным условиях. За многие годы испытаний различных сетчатых материалов специалисты Маккаферри пришли к выводу, что материал обязательно должен быть жестким. То есть конструкция должна быть способна успешно сопротивляться деформациям. В случае испытания сетки оценивается величина ее удлинения (отклонения) от первоначального положения. На это влияют свойства самого материала, шаг установки анкеров и некоторые другие параметры.

Рис. 2. Тест на продавливание

В ходе полномасштабных (3х3 м) испытаний, которые были выполнены Институтом технологии строительства (CNR), удалось оценить жесткость/зависимость нагрузки от растяжения сетчатого материала. В испытании участвовали: (1) сеть из тросов с проволочным узлом (HEA Панели), (2) сетка двойного кручения и (3) сетка с ромбической ячейкой.

Рис. 3. Тестирование сеток и оценка их жесткости

По результатам сетка с ромбической ячейкой показала наибольшее удлинение; сетка двойного кручения заняла второе место, а лучший результат показала тросовая HEA Панель. Данные результаты обязательно должны учитываться при проектировании защитных систем, поскольку чем больше сетка подвержена растяжению, тем больший карман для накопления обломочного материала создается, тем самым приводя к возникновению еще большей нагрузки. Следствием этого часто является потеря системой стабильности и ее последующее разрушение.

На основе проведенных испытаний были разработаны некоторые защитные системы и материалы компании, в частности, драпировка Стилгрид на основе сетки двойного кручения с вплетённым тросами, тросовые HEA панели для укрепления сильно трещиноватых скальных откосов и для нагельных полей. И эта же тросовая сеть стала использоваться в конструкциях снегоудерживающих барьеров в качестве удерживающей панели.

Рис. 4. Некоторые результаты Теста на продавливание

Заключение

В заключение необходимо остановиться на двух моментах. Прежде всего, описанные выше материалы нельзя применять в системах, рассчитанных для динамических нагрузок, таких как камнеулавливающие, селеулавливающих барьеры. Для них наилучшим решением является применение кольчужных сеток.

Во-вторых, расчеты системы инженерной защиты не следует проводить в ручном режиме из-за большой вероятности ошибок и неучета важных факторов. Компанией Маккаферри для расчета статических драпировок почти 20 лет используется программный комплекс MacRO собственной разработки, а для динамических – Rocfall от компании Rocscience. Кроме того, недавно для проектирования нагельных полей специалисты Маккаферри совместно с Миланским политехническим университетом разработали новое программное средство – Mac S-design.

Скачать презентацию