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

В отчете о глобальной  оценке снижения  риска бедствий (GAR) за  2019 год  отмечено, что во всем мире наблюдается рост риска возникновения опасных геологических событий  даже в местах, где раньше они были минимальны. Соответственно, люди и их имущество находятся в опасности. В связи с этим ответственность за разработку надежной защиты от катастрофических последствий ложится на проектировщиков. Ошибки в расчетах при проектировании могут дорого обходиться человечеству. Особое внимание следует уделить  проектированию надежной инженерной защиты в зонах зарождения гравитационных процессов. 

Место установки  защитных сооружений — определяющий фактор при выборе материалов 

В процессе общения с проектировщиками инженерных систем защиты была замечена тенденция, когда свойства систем защиты они упрощают и сводят к отдельным характеристикам конкретных материалов. Такой подход — категорически неправильный. Только комплексный анализ свойств  составных компонентов и их совместной работы в отдельно взятых условиях позволяет дать объективную оценку эффективности и работоспособности выбранной системы защиты. В первую очередь, оценивается уровень опасности происходящих гравитационных процессов и риски, затем — местоположение и принцип защиты. Выбор материалов  для изготовления защитной конструкции зависит от того, какие нагрузки будут воздействовать на систему. 

Нагрузки  делятся на два типа: статические и динамические. Статическая предполагает  устойчивость к постоянному давлению, длительному удержанию масс, а динамическая  — к ударному воздействию с целью погашения  энергии движущихся масс. 

Как распределяются виды нагрузок в разных зонах? 

В каждой зоне инженерная защита имеет свои особенности, которые зависят от того, какую нагрузку они должны выдерживать: постоянное давление (статическая)  или ударное воздействие (динамическая). Многие производители  делят инженерную защиту от гравитационных процессов по принципу целевого использования: 

• снегоудерживающие барьеры 
• камнеулавливающие барьеры 
• селеулавливающие барьеры 
• камнеулавливающие насыпи 

• сетчатые системы драпировки. 

Каждая из  них может быть размещена в любой из четырех зон: 

1) в зоне отрыва или зарождения — здесь ключевая задача защитных систем  — длительное удержание  потенциально опасных скальных, снежных и грунтовых массивов 

2) в транзитной зоне 

3) в зоне воздействия 

4) в зоне аккумуляции. 

В остальных трех зонах — транзитной, воздействия и аккумуляции — на защитные  сооружения воздействуют динамические нагрузки. Главная цель инженерной  защиты в этих зонах — максимально, насколько это возможно, останавливать движущиеся массы. 

Свойства материалов  защитных систем в зоне статистических нагрузок в зоне зарождения и отрыва 

Один из наиболее надежных методов испытания материалов и систем защиты в условиях воздействия статических нагрузок — Тест на продавливание или «Punching-Test». Его используют как в лабораториях, так и в близких к естественным условиях. Когда проводят испытания сеток разной формы из различных материалов, оценивают насколько она удлиняется  от начального положения. Опытным путем специалисты Маккаферри пришли к выводу, что наиболее эффективны при статических нагрузках сетки из жестких материалов. Тогда конструкция будет успешно сопротивляться деформациям. На удлинение и эффективность защиты также влияют свойства материала сетки, шаг установки анкеров и другие факторы. 

Результаты испытаний  Института технологии строительства (CNR) 

Институт технологии строительства провел полномасштабные  (3х3 м) испытания с целью оценить жесткость и зависимость нагрузки  от растяжения  сетчатого материала.  Испытывали три  вида сетчатых материалов: 

1. Сеть из тросов с проволочным узлом (НЕА Панели). 

2. Сетка двойного кручения. 

3. Сетка с  ромбической ячейкой. 

Самое большое удлинение  показала  сетка с ромбической ячейкой, а наименьшее — тросовая НЕА Панель. 

Полученные результаты имеют очень важное значение, так как проектировщики в ходе разработки систем защиты должны учитывать эти данные. Понимание принципа действия защиты поможет предусмотреть возможные риски, так как  чем больший карман  создается при растяжении, тем больше обломков там поместится, а значит статическая нагрузка на сетку будет выше, что рано или поздно приведет к  разрыву и разрушениям. 

Данные, полученные в ходе испытаний, легли в основу разработок некоторых защитных систем от Маккаферри. Например,  драпировка Стилгрид на основе сетки двойного кручения с вплетенными 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. 

Для динамических нагрузок — кольчужные сетки 

Описанные выше материалы нельзя применять в системах, рассчитанных на воздействие удара, таких как камнеулавливающие, селеулавливающих барьеры. Несмотря на отличные характеристики отдельных материалов, удар они держат плохо. Для них наилучшее решение — кольчужные сетки. 

 Cпециализированные программные комплексы для расчетов 

Расчеты системы инженерной защиты проводить в ручном режиме крайне нежелательно, потому что существует большая доля вероятности допустить ошибки в расчетах, не учесть важные факторы. Компания Маккаферри для расчета статических драпировок почти 20 лет использует 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. 

Ответственный и комплексный подход на этапе проектирования инженерной защиты от геологических  процессов, правильное целевое использование материалов и систем защиты позволят сократить количество катастрофических разрушений в потенциально опасных зонах.