m0955

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

7.Выбор габаритных размеров мягких контейнеров для перевозки в полувагонах / С.А. Баннов, А.Н. Насыров, В.А. Романов // Обеспечение сохранности грузов и рациональное использование вагонов: межвуз. сб. науч. тр. / Новосиб. ин-т инженеров ж.-д. трансп. Новосибирск, 1982. С. 48–51.

8.URL: http://www.jde.ru/calc

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. В.А. Романов

Л.О. Беляков

(факультет «Строительство железных дорог»)

УСИЛЕНИЕ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ НА КАРСТООПАСНЫХ УЧАСТКАХ

Прогноз устойчивости закарстованных территорий является актуальной проблемой на всех стадиях при проектировании, возведении и эксплуатации транспортных сооружений.

Разработать меры защиты, обеспечивающие безопасность движения поездов на карстоопасных участках не представляется возможным без определения размеров карстовых полостей и их расположения. Для существующих насыпей на карстоопасных участках наиболее важными являются вопросы, связанные с диагностикой – поиском карстовых полостей и зон их возможного размещения. Для диагностики карстоопасных участков используют комплексно различные методы, в том числе геофизические, геодезические, гидрохимические, инженерно-геологические, к которым можно отнести бурение и зондирование. Используемые методы достаточно известны и опробованы, имеют свои достоинства и недостатки.

В Сибирском государственном университете путей сообщения разработана система для обследования и диагностики скважин (рис. 1), на которую получен патент РФ №78556 от 27.06.2008 г. Система для обследования включает герметичный корпус, в котором помещены видеокамера, источники света; к корпусу прикреп-

лены барабан с кабелем с двойной изоляцией и знаками длины пройденного расстояния, источник электропитания, снабжена установленным внутри корпуса соосно видеокамере отражателем с мотор-редуктором и центрирующими опорами, закрепленными на наружной поверхности корпуса. С помощью видеокамеры возмож-

11

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

но визуально оценить размеры карстовой полости, а также вид и состояние окружающих грунтов. В случае необходимости внутри корпуса устанавливается лазерный дальномер, позволяющий фиксировать размеры полости, вырисовывая ее внутренний объем в принятом масштабе. Все полученные данные(от видеокамеры и лазерного дальномера) передаются на персональный компьютер и обрабатываются оператором. По результатам обработки вырисовывается картина полости изнутри с текстурой поверхности.

Полученные в результате диагностики данные (размеры и местоположение карстовых полостей)

позволяют подобрать эффективный метод усиления основания земляного полотна и с помощью вычислительных комплексов выполнить необходимые расчеты.

Литературой и нормативными документами в районах действующего карста возведение земляного полотна допускается при условии остановки процессов карстообразования и заделки всех

12

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

устранению карстоопасности являются специфическими и разрабатываются проектными организациями применительно к конкретным инженерно-геологическим условиям и условиям эксплуатации сооружений.

Среди основных противодеформационных мероприятий для земляного полотна на карстоопасных участках в литературе выделены следующие:

–каптаж и отвод выходящих на поверхность грунтовых и подземных вод для недопущения их к закарстованной зоне;

–техническая мелиорация карстующихся пород (цементация, глинизация и т.д.);

–применение разгружающих устройств (балок, плит и т.д.);

–обрушение взрывами неустойчивой кровли над полостями

изаполнение воронки некарстующимся инертным грунтом. Указанные мероприятия апробированы на многих объектах в

нашей стране и освящены в литературе, и здесь подробно не рассматриваются. Обратим внимание на основные принципы их использования.

1.Недопущение движения подземных вод в районе карстообразования, т.е. предотвращение процессов растворения горных пород.

2.Недопущение разрушения свода образовавшейся карстовой полости.

Для реализации первого принципа во многих случаях целесообразно использование инъекционных методов для создания противофильтрационных завес и экранов. Использование инъекционных методов, основанных на пропитке грунтов, ограничено водопроницаемыми и трещиноватыми породами. В случае, если карстовую полость окружают слабые глинистые грунты, этим же грунтом заполнены трещины и пустоты в скальном грунте, возможно использование метода напорной инъекции твердеющего раствора, основанного на разрыве структуры грунта. Этот же метод может быть использован и для заполнения замкнутых карстовых полостей с тонкими слабыми перегородками. Особенности напорной инъекции по сравнению с другими инъекционными методами позволяет существенно расширить допустимые границы использования для упрочнения грунтов основания на карстоопасных участках. Основное преимущество метода напорной

13

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

инъекции по сравнению с другими методами усиления грунтов основания и земляного полотна – возможность выполнения работ без организации технологических окон.

Рис. 2. Упрочнение основания земляного полотна

Не стоит забывать и о недостатках рассматриваемого метода при использовании его для усиления на карстоопасных участках: большие объемы работ, дороговизна материалов и др. Таким образом, метод напорной инъекции эффективен в следующих случаях:

1.Небольшие размеры карстовых полостей и пустот, сотовая текстура грунтов в карстовой зоне;

2.Необходимость выполнения работ без ограничения движения поездов.

Основной неприятностью для земляного полотна над карстовыми пустотами и полостями небольших размеров, представленных макропорами и трещинами(сотовая текстура), является высокая сжимаемость основания. Таким образом, при определении объемов работ по усилению расчетными параметрами будут являться коэффициент пористости и модуль деформации грунта.

Для определения коэффициента армирования(доли раствора в грунте) для достижения требуемых значений коэффициента пористости и модуля деформации предлагаются апробированные решения, используемые при усилении дисперсных грунтов методом напорной инъекции.

Рекомендуются следующие зависимости для определения коэффициента пористости и модуля деформации грунта после упрочнения ec, Eс:

ec = ed - ka (1 + ed ) , Ec = Ed exp[ad ka (1 + ed )],

14

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

где аd – коэффициент, характеризующий деформируемость конкретного грунта, Ed, ed – пара соответствующих значений модуля деформации и коэффициента пористости грунта до усиления, ka – коэффициент армирования.

Модуль деформации грунта, армированного инъекционным раствором, с учетом свойств затвердевшего раствора рекомендуется определять по формуле:

где fa = exp[ad ka (1 + ed )].

Для предотвращения разрушения карстовых полостей больших размеров (100 м3 и более) рассмотрены следующие два способа, являющиеся разновидностями существующих:

1. Заполнение больших по объему полостей сухой песчаной смесью через буровые скважины с обсадкой в рыхлой надсводной части. Диаметр скважины должен быть не менее 198 мм. Подача сухого песка в скважину должна проводиться по наклонному лотку из приемного бункера, который в свою очередь загружается из самосвала. При этом наличие воды в карстовой полости не помешает процессу заполнения.

Рис. 3. Заполнение карстовых полостей сухой песчаной смесью и дальнейшее инъектирование

После засыпки песком полости и скважины проводится напорная инъекция для уплотнения засыпанного в полость песка и заполнения верхней недозаполненной части полости через инъектор заранее погруженный в обсадную трубу. После этого извлекается обсадная труба.

Если полость в плане имеет большие размеры, то потребуется подавать песок через несколько скважин.

15

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

2. Следующий способ менее трудоемкий и предназначен для предотвращения обрушения больших карстовых полостей, где процессы растворения и вымывания породы остановлены. Этот способ предполагает подпирание верхнего свода буронабивными сваями, проходящими через пустоту, прорезающими слабое дно полости и опирающими в прочный слой. Шаг свай определяется расчетом.

Рис. 4. Усиление основания земляного полотна буронабивными сваями

Эффективность использования буронабивных свай для усиления карстовых полостей подтверждается расчетами, выполненными в программном комплексе«Plaxis». Выполнен анализ напря- женно-деформированного состояния в условиях плоской и осесимметричной задач, применялась упругопластическая модель КулонаМора. В программе расчета реализована пошаговая схема нагруже-

ния грунтового массива собственным весом насыпи и внешней нагрузкой. Деформационные модели представлены на рис. 5. Рельсошпальная решетка, в качестве допущения, заменена плитой с эквивалентными жесткостными характеристиками. Нагрузка от подвижного состава была заменена двумя равномерно распределенными полосными нагрузками с интенсивностью16 кН/м2 и 100 кН/м2. Принят следующий порядок расчета. В основании земляного полотна действующего участка железной дороги образовалась карстовая полость размерами7,0×3,0 м на глубине8 м от дневной поверхности, при этом от собственного веса земляного полотна обрушения свода полости не происходит. Силовое воздействие от движущегося состава приводит к обрушению свода карстовой полости, что в свою очередь приводит к недопустимым де-

16

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

формациям земляного полотна. Вторая модель (рис. 5, б) предполагает усиление свода карстовой полости буронабивной сваей. Выполненное усиление существенно снижает давление на свод карстовой полости, обрушения при движении подвижного состава не происходит.

Рис. 5. Деформационные модели

На рис. 6 представлены данные по насыпям по вертикальным перемещениям грунта от действующих нагрузок. Отметим, что в результате усиления буронабивной сваей значения вертикальных перемещений грунта уменьшились, деформации грунта непосредственно над карстовой полостью близки к нулевым.

Рис. 6. Вертикальные перемещения

На рис. 7, 8 представлены значения нормальных и вертикальных напряжений, возникающих в грунте от действующих нагрузок до и после усиления буронабивной сваей. После усиления максимальные значения нормальных напряжений уменьшились более чем в 1,5 раза, а касательных в 3,3 раза.

17

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Рис. 7. Нормальные напряжения

Рис. 8. Касательные напряжения

Работы по ликвидации предаварийного состояния основания земляного полотна с карстовыми полостями большого объема желательно проводить во время длительных окон, связанных с плановым капитальным ремонтом пути на данном перегоне. Для таких работ должен быть разработан проект организации работ с технологическими картами и схемами. Если состояние основания не терпит ожидания окна необходимой продолжительности, то работы вынужденно проводятся за пределами габарита, или заказывается окно непосредственно для выполнения этих работ.

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. А.Л. Ланис

О.А. Бирюкова

(факультет «Строительство железных дорог»)

ОСОБЕННОСТИ УЧЕТА СЕЙСМИЧЕСКИХ СИЛ ПРИ РАСЧЕТЕ ОБЩЕЙ УСТОЙЧИВОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

Под термином «устойчивость откоса» подразумевается устойчивость его призмы или части откоса на сползание в результате

18

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

нарушения равновесия внешних и внутренних сил. Которые складываются из собственного веса, гидростатического давления воды и сейсмических сил.

Учет сейсмический нагрузок при расчете устойчивости откосов и склонов традиционно осуществляется заданием дополнительных ускорений к отсекам массива обрушения. Ускорения при проектировании сооружений традиционно направляются горизонтально в сторону обрушения массива, а значенияэтих ускорений принимаются по шкале Института физики Земли (табл. 1).

Таблица 1

Шкала силы землетрясений института Физики Земли РАН

Однако в природе дополнительные силы, возникающие при землетрясении, действуют не только на область обрушения, но на весь массив склона или грунтового сооружения (рис. 1).

Рис. 1. Направление сил при землетрясении

При этом неизвестно, в каком именно направлении будет распространяться воздействие от землетрясения. В этом случае представляет собой интерес анализ зависимости устойчивости откосов

исклонов от угла направления сейсмического воздействия.

Вкачестве расчетного инструмента был выбран комплекс PLAXIS. В отличие от известных пакетов, реализующих метод

19

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

круглоцилиндрических поверхностей скольжения, этот комплекс позволяет приложить ускорение не только к области обрушения, а ко всему рассматриваемому грунтовому массиву. Метод оценки устойчивости земляного полотна заключается в последовательном выполнении расчетов с пропорциональным уменьшением величин удельного сцепления (С) и внутреннего коэффициента трения (tgφ).

Запас устойчивости земляного полотна в этом случае характеризуется максимальным значением коэффициентаКзап, представляющим собой величину предельного уменьшения прочностных характеристик грунта (С и tgφ) при которых сдвиговые деформации в земляном полотне еще не являются критическими.

Для сопоставления результатов расчет был проведен также в программе Slide, реализующей традиционный подход решения этой задачи. В описании программы сказано, что методика расчета устойчивости против сдвига основана на нормативных документах. Расчет ведется по круглоцилиндрическим поверхностям, которые строятся по трем точкам меняющим свое положение с шагом 1 м на основной площадке, на основании за подошвой и внутри поперечника по вертикалям с шагом 0,5 м.

В качестве модели была принята насыпь высотой 10 м на однородном основании, сложенном теми же грунтами, что и тело насыпи (рис. 2). В данной работе рассмотрены три типа грунта: песок, супесь и суглинок. В первом рассмотрении задачи следует проанализировать влияние угла направления дополнительных ускорений, вызванных землетрясением, на устойчивость откоса насыпи.

Рис. 2. Модель насыпи

20