Элементы теории проектирования земляного полотна

Расчетные методы проектирования земляного полотна предлагались русскими инженерами еще в 50-е годы прошлого века. В книге П. Усова [174] приведена вполне удовлетворительная для того времени методика определения равновесия "земляного строения и откосов его". Поверхность смещения массива принималась плоской. В числе сил, действующих на соскальзывающий массив, рассматривались: касательная слагающая веса, силы трения и сцепления, т. е. те же силы, которые принимаются во внимание в настоящее время. Условия равновесия анализировались по величине равнодействующей этих сил. Математическое выражение минимума равнодействующей служило основой для нахождения вероятного наклона плоскости сползания. По нулевому значению равнодействующей вычисляли два конструктивных параметра: крутизну откоса и его высоту или же предельную глубину выемки.

Интересно отметить, что плоскую поверхность сползания Усов рассматривает в числе предпосылок расчета, подчеркивая в другом месте книги, что фактическая поверхность обрыва грунта криволинейна, а след ее в плоскости чертежа близок к циклоиде. В книге приводится также метод расчета самопроизвольной осадки насыпи после отсыпки.

И тем не менее расчетные методы в проектировании земляного полотна в XIX в. почти не применялись. В литературе этого времени элементы теории почти полностью вытеснились примерами осуществленных решений и практическими рекомендациями. Такой стиль освещения вопросов проектирования земляного полотна сохранялся и в начале нашего века.

Крупный шаг в разработке теоретических основ проектирования земляного полотна был сделан в 1906 г. С. К. Волобуевым [25]. Он обобщил знания, накопленные на опыте отечественных и зарубежных дорог, и приблизился к важнейшим принципам расчетно-аналитического проектирования. Волобуев рассматривал насыпь как физическое тело, которое под действием внешних сил претерпевает упругие и остаточные деформации, что позволяло применить для исследований методы строительной механики. Плодотворность этой идеи невозможно переоценить: она лежит в основе современной теории расчета земляного полотна. Новизна и оригинальность ее для того времени также абсолютно бесспорны. Позднее Волобуева, в 1912-1916 гг., другой русский ученый П. А. Минаев показал возможность применения теории упругости к анализу напряженного состояния сыпучих грунтов.

Волобуев стремился определить степень уплотнения насыпи с учетом пульсирующего поездного воздействия и затухания деформаций. Сначала он применял весьма простой расчетный аппарат. Но позднее [27] методика расчета была им сильно развита. Правда, автор допустил в ней ряд слишком сильных упрощений и некоторые неточности, за что был подвергнут современниками критике [53], [175]. Однако значение его трудов даже в том отношении, что они дали только толчок соответствующему направлению научных разработок, весьма велико.

В книге [25] можно найти уже некоторые соображения по расчету устойчивости откосов насыпей при криволинейной поверхности смещения. Большое внимание уделено влиянию на свойства грунтов степени увлажнения. Это подчеркивается также в статье [26]. Несмотря на то, что вредная роль воды в эксплуатационной работе земляного полотна была хорошо известна и до Волобуева, его выводы, основанные на серьезном научном обобщении, привлекли к этой стороне дела усиленное внимание. Можно проследить, например, влияние идей Волобуева на творчество известного инженера-изобретателя и ученого Н. Е. Долгова. В его работе [53] красной нитью проходит мысль о практической важности изучения деформаций земляного полотна, которые под влиянием влаги нередко приобретают разрушительный характер. Долгов придавал им столь большое значение, что считал бесполезными теоретические схемы расчетов пути на прочность, в которых неизбежна идеализация свойств основания, и предлагал опираться на экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния пути.

Рис. 29. Путь на бетонной плите конструкции Н. Е. Долгова

Еще раньше, в 1909 г., Н. Е. Долгов в поисках способов радикальной защиты земляного полотна от атмосферных вод применил на станции Пологи монолитное бетонное основание пути (рис. 29). Толщина несущей плиты составляла около 80 см. В нижней ее части были забетонированы два рельса, к которым на расстоянии около 1,4 м прикреплялись железные штыри. Их концы выходили на поверхность плиты и служили опорами для металлических нашпальников. Плита укладывалась на слой песка. Обочины земляного полотна за пределами плиты также имели бетонное покрытие, но толщина его была примерно 20 см. С одной стороны пути покрытие переходило в бетонный лоток, с другой выходило к откосу. Таким образом, вода не могла проникнуть к земляному полотну. Длина опытного участка составляла около 120 м. Долгов называл эту конструкцию изолирующим слоем. Как можно судить по полемике, возникшей у автора с Ф. К. Ясевичем, упомянутый эксперимент был не единственным. Долгов пишет о наличии изолирующего слоя на 72, 78 и 83-й верстах Бердянской линии, где он был уложен в 1908 г. и шесть лет спустя, когда возникла полемика, еще находился "в прекрасном состоянии" [53]. К сожалению, подробности этого опыта в литературе не освещались.

В дореволюционный период проектировались с привлечением расчетных методов только водоотводы, практика применения которых уходит в незапамятные времена. Но и здесь решающим критерием надежности считался опыт, в соответствии с которым корректировали расчетные данные.