Сборник трудов конференции СПбГАСУ 2014 ч

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

и значениях величин σij – конечное напряженное состояние бортов примерно одинаково, а деформированное состояние разное!

В численных расчетах, для анализа и оценки НДС грунтовых сооружений, массивов и оснований, используются пользовательские графики, связывающие любые вычисленные величины и графики траекторий изменения на- пряженно-деформированного состояния в пространстве инвариантов тензора напряжений σij и относительных деформаций εij. В построении графиков траекторий используются следующие величины: среднее напряжение σ=(σ1+σ2+σ3)/3, средняя относительная деформация ε=(ε1+ε2+ε3)/3, интен-

сивность нормальных напряжений σi =(1/ 2) [(σ1 – σ2)2+(σ2 – σ3)2+(σ3 – σ1)2],

интенсивность линейных деформаций εi= 2(1/3) [( ε1 – ε2)2+(ε2 – ε3)2+(ε3 – ε1)2]. Графики траекторий являются основой, так называемого «паспорта прочности» испытуемого грунта.

Практика проектирования ответственных грунтовых сооружений основана на экспериментальных исследованиях образцов грунтов в специальных приборах, например, стабилометрах. Испытания производятся согласно программам, в которых указываются траектории нагружения образцов в пространстве величин «σ – σi». Знание возможных траекторий нагружения элементов системы «сооружение – геосреда» необходимо уже на стадии планирования экспериментов.

Современные численные методы расчета грунтовых сооружений и оснований предоставляют новые возможности для анализа их НДС, в том числе получения информации о траекториях нагружения различных элементов сооружения, особенно в окрестности возможных линий скольжения.

Численное моделирование выполнялось на основе сертифицированной программы GenIDE32 [5], в которой реализованы алгоритмы метода конечных элементов (МКЭ). В расчетах НДС использовалась нелинейная модель грунта на основе ассоциированного закона пластического течения с условием текучести по Кулону-Мору.

Общая схема решения задачи по определению НДС элементов системы «сооружение – геосреда» имеет вид:

определение начального НДС природного массива грунтов;

последовательное моделирование устройства элементов сооруже-

ния.

На каждом этапе моделирования средствами развитого интерфейса программы возможно выполнение анализа и оценки НДС на основе требований, установленных действующими нормативными документами.

Параметры глинистого грунта однородной расчетной области для систем «насыпь – основание» для рассматриваемых задач приняты равными:

γ=0,0207 МН/м3, Е=45 МПа, ν=0,35, φ=17 град., с=0,030 МПа. Для систем

«выемка (карьер) – геосреда» использовался модуль деформации с ветви разгрузки Ее=5Е=225 МПа.

451

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Исследовалось НДС следующих систем: 1) «насыпь (плотина) – основание»; 2) «карьер (котлован) – геосреда» с осью расчетной схемы совпадающей с осью сооружения (учет симметрии); 3) «выемка – геосреда».

Для каждой системы первоначально решались задачи теории пластичности для массива с криволинейными границами, находящегося в поле гравитации, для условий плоской деформации и осесимметрии (без учета послойного возведения сооружения). Цель – определение предельной высоты (глубины) грунтового сооружения с заложением откосов 1:m=1:1. Эта высота находилась при достижении условия предельного равновесия по устойчивости: kst≈[kst]=1,00 (±0,02), где kst и [kst] – расчетное и нормативное (требуемое) значение коэффициента запаса устойчивости. В расчетах использовалась функция масштабирования расчетной схемы.

Для 1-ой системы геометрические параметры насыпи и основания соответственно имели значения: высота h=20 м, ширина насыпи поверху b=10 и 20 м, заложение откосов 1:m=1:1; радиус кривизны подошвы откоса R=75, 150 и 300 м для каждого варианта ширины насыпи поверху.

Для 2-ой системы геометрические параметры для верхней прибортовой части массива и основания соответственно имеют значения: глубина d=25 м, ширина поверху b=50 м, заложение откосов 1:m=1:1; длина основания L=125(5d) и 175 м (7d), высота H=100 м (4d), радиус кривизны подошвы бор-

та R=50 и 100 м.

Для 3-ей системы геометрические параметры выемки соответственно имели значения: глубина d=20 м, ширина выемки понизу b=10 и 20 м, заложение откосов 1:m=1:1; радиус кривизны подошвы откоса R=150, 300 и 500 м для каждого варианта ширины выемки понизу.

Геометрические размеры систем имели размеры, при которых граничные условия по смещениям (закрепления) не влияли на результаты расчетов.

Количество слоев экскавации или возведения изменялось от 10 до 20. Оценка устойчивости для условий осесимметричной задачи выполня-

лась по линии скольжения с kst min, проходящей по конечным элементам (КЭ) центрального сечения призм оползания, в том числе – левой (внутренней к центральной оси сооружения) и правой (внешней от центральной оси). Предполагается, что это самые опасные и самые нагруженные сечения объемных призм оползания.

Зоны предельного состояния или «пластичности» во всех вариантах расчета для системы «насыпь – основание» появились при высотах: h=6,40 м (плоская задача) и h=6,40 м (осесимметрия).

В первом случае (плоская деформация) они появились в центральной части основания под насыпью и развивались к подножиям откосов и от подножий вверх по откосам и к центральной оси насыпи. Напряженное состояние в соотношениях главных напряжений в зонах «пластичности» имело вид: σ1<σ3≠0. В принятой системе координат: σ1<σ2<σ3.

452

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Во втором случае (осесимметрия) они также появились в центральной части основания под насыпью. Если в первом случае развитие зон происходило симметрично относительно центральной оси плотины, то во втором развитие зон происходило сложно. По мере увеличения высоты насыпи зоны в основании видоизменялись по форме, размерам и перемещались в сторону подошвы и внутрь насыпи. В конечном итоге напряженное состояние в соотношениях главных напряжений в зонах «пластичности» имело соответственно вид: σ1=σ2, σ3≠0. во внутреннем вогнутом откосе и σ1, σ2=σ3≠0. во внешнем выпуклом. В первом случае, площадь зон «пластичности», не считая зон «reelastic», больше, чем во втором случае (рис. 1).

Конфигурация зон «пластичности» по результатам решения задач осесимметрии варианта №1 (b=10 м) подобна результатам решения задач варианта №2 (b=20 м). С уменьшением радиуса кривизны подошвы откоса размер зон «пластичности» во внутреннем откосе уменьшается (влияние увеличения тангенциальных напряжений), больше при варианте № 1, меньше при варианте № 2, а во внешнем откосе размер зон остается практически без изменения. Зоны «пластичности» левого и правого откоса, полученные по варианту № 2, отделены друг от друга. В плоской задаче с увеличением ширины насыпи поверху уменьшается размер зон «пластичности» в центральной части насыпи, в откосах размеры зон практически не изменяются.

Здесь можно отметить, что конфигурация и размеры зон «пластичности», показанные на рис. 1, отличны от аналогичных, полученных по результатам решения задач пластичности без учета последовательности возведения насыпи.

в) г)

Рис. 1. Результаты оценки устойчивости системы «насыпь – основание» (h=25,0 м, b=10 м, 1:m=1:1) при последовательном моделировании её возведения и зоны «пластичности»: а) плоская деформация; б) осесимметрия, R=300 м; в) то же, R=150 м; г) то же, R=75 м

453

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Потеря устойчивости насыпи (kst[Terz] min ≈1,00±0,02) произошла в первом и втором случаях при одинаковой конечной высоте насыпи (см. рис. 1). Линии скольжения с kst min в откосах насыпи, найденные по результатам решения плоской и осесимметричной задач, практически симметричны относительно её центральной оси. Размеры призм оползания в расчетном сечении

вусловиях осесимметрии (вариант №1), из-за небольшого перехлеста линий скольжения в верхней части, в целом больше, чем в плоской задаче.

Можно отметить, что условия предельного состояния в пределах всей линии скольжения для правого и левого откосов насыпи не выполняются, как

вусловиях плоской задачи, так и в осесимметричной.

Зоны «пластичности» системы «карьер (котлован) – геосреда» поя-

вились при глубинах карьера: d=6,25 м (плоская задача) и d=2,5 м (осесимметрия). В первом случае они появились в подножии борта и на некоторой глубине основания под бортом, во втором ниже дна карьера и вблизи его центральной оси. В дальнейшем, в первом случае они развивались от подножия борта к горизонтальной поверхности и снизу к подножию; во втором случае они продвигались от центральной оси к подножию и вверх по поверхности борта, а также они развивались в нижней части основания под подножием борта. В первом случае площадь зон «пластичности», не считая зон «reelastic», больше, чем во втором случае (рис. 2).

а) б)

Рис. 2. Результаты оценки устойчивости борта карьера системы «карьер – геосреда» при последовательном моделировании экскавации и зоны «пластичности»: а) плоская дефор-

мация, d=25,00 м; б) осесимметрия, d=25,00 м, R=100 м

В условиях плоской деформации потеря устойчивости борта произош-

ла при глубине карьера d=25,00 м: kst[Terz] min=1,00 (рис. 2, а). При этой глубине в условиях осесимметрии линия скольжения с kst min=0,67 зафиксирова-

лась вблизи поверхности борта, в средней его части (см. рис. 2, б). Средствами интерфейса программы, по линии скольжения с kst min=1,00, полученной при решении плоской задачи, при координатах центра дуги и её радиуса равных Х=212,74 м, У=150,19 м, R=31,55 м, выполнена оценка устойчивости для схемы осесимметричной задачи с результатом kst min=1,05 (см. рис. 2, б).

454

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

Можно отметить, что условия предельного состояния в пределах линий скольжения не выполняются только в самой верхней части борта карьера (плоская задача, рис. 2, а), для осесимметричной задачи в предельном состоянии находится тонкий слой грунта на половине поверхности борта

ибольшей толщины слой, расположенный ниже его подошвы (см. рис. 2, б). Напряженное состояние в соотношениях главных напряжений в зонах «пластичности», по которым проходят линии скольжения, имеет соответственно

вид: σ1<σ3≠0. (плоская деформация); σ1=σ2, σ3≠0. (осесимметрия).

Зоны «пластичности» системы «выемка – геосреда» появились при глубинах: d=7,50 м (плоская задача) и d=2,5 м (осесимметрия). В первом случае они появились в подножиях бортов, во втором в подножие левого выпуклого борта. В дальнейшем, в первом случае они развивались от подножия вглубь и вниз от бортов; во втором случае они продвигались внутрь борта, вниз от него, а также они развивались под дном к подножию правого борта

ивыше (рис. 3).

а) б)

Рис. 3. Результаты оценки устойчивости системы «выемка – геосреда» при последовательном моделировании экскавации и зоны «пластичности»: а) плоская деформация, d=20,00 м, b=10,00 м; б) осесимметрия, d=8,75 м, R=500 м

В плоской задаче потеря устойчивости борта произошла при глубине выемки d=20,00 м: kst[Terz] min=0,98. При решении осесимметричной задачи при всех радиусах (R=150, 300, 500 м) и ширинах выемки понизу (b=10 и 20 м) резкая потеря устойчивости левого выпуклого борта произошла при глубине выемки d=8,75 м: kst[Terz] min=0,90. Устойчивость этого борта может быть обеспечена, например, устройством по его высоте берм.

Графики траекторий в пространстве инвариантов σij и εij для КЭ, расположенных на линиях скольжения в зонах «пластичности», четко фиксируют появление площадок сдвига в пространстве величин «σi – εi».

При решении плоских задач сходимость решения по напряжениям ([σij]=0,01 МПа) достигается относительно быстро; сходимость решения осесимметричных задач тоже всегда достигается, но происходит это медленно.

455

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Литература

1.Тер-Мартиросян, З.Г. Напряженное состояние горных массивов в поле гравитации / З.Г. Тер-Мартиросян, Д.М. Ахпателов. – ДАН СССР. – 1975. – Т. 220. – №2. –

С. 311-314.

2.Цветков, В.К. Расчет устойчивости откосов и склонов / В.К. Цветков. – Волгоград: Ниж.-Волж. кн. изд-во, 1979. – 238 с.

3.Горшков, Н.И. Оценка устойчивости земляного полотна на основе МКЭ / Н.И. Горшков, М.А. Краснов // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2012. – №1. –

С. 20-23.

4.Горшков, Н.И. Сравнительная оценка напряженно-деформированного состояния грунтовых сооружений (выемки и насыпи) на основе МКЭ / Н.И. Горшков, М.А. Краснов // Строительная механика и расчет сооружений. – 2011. – №5(238). – С. 4-11.

5.Программа GenIDE32 для решения прикладных задач геомеханики / Горшков Н.И., Краснов М.А. СИСТЕМА СЕРТИФИКАЦИИ ГОСТ Р ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ. СЕРТИФИКАТ СООТВЕТСТВИЯ № РОСС RU.СП15.H00646, 28.10.2013 (www.femsoft.ru).

УДК 625.122.001.24:624.138.23

А.А. Зайцев, М.Г. Рюмин, Т.Ю.Красильникова

(Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ))

РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ НАСЫПИ МЕТОДОМ СТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ

На сегодняшний день, одними из ключевых направлений развития железнодорожного транспорта в России, является увеличение скоростей движения поездов и повышение осевых и погонных нагрузок. Эти задачи невозможно решить без усиления, как всей конструкции верхнего строения пути, так и земляного полотна.

Земляное полотно (насыпи, выемки и др.) является основой железнодорожного пути, от работы которого зависит безопасность и бесперебойность движения поездов. Земляное полотно постоянно находится под воздействием различных динамических (воздействие подвижного состава на путь) и статических нагрузок (собственный вес, вес верхнего строения пути). В связи с этим одной из задач по повышению несущей способности земляного полотна, является усиление насыпей железнодорожного пути под действующие, с возможность дальнейшего увеличения, нагрузки.

Целью данной статьи является решение задачи по увеличения устойчивости земляного полотна на участке железнодорожного пути «ТаежныйКамарчага» Красноярской железной дороги. Предлагается укрепить земляное полотно грунтоцементными сваями методом струйной цементации грунтов (jet-grouting). Данная технология состоит в разрушении и одновременном перемешивании грунта на глубине воздействием цементной струи, подающейся под давлением от 400 до 1000 атм. После твердения цемента образуется но-

456

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

вый материал – грунтоцемент, который обладает высокой прочностью, так, например, прочность на сжатие, в зависимости от типа грунта, принимает значения от 2 до 10 МПа [1]. Характеристики полученного материала приведены в табл. 1.

Технологически, метод струйной цементации грунтов подразделяется на 2 этапа [5]:

1.Бурение лидерной скважины до проектной отметки – прямой ход

(рис. 1).

2.Подъем буровой колонны с вращением и одновременной подачей струи цементного раствора под давлением – обратный ход (рис. 2).

457

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Для геотехнических расчетов и моделирования, использовался программный комплекс – GeoStab, разработанный российской компанией «GeoSoft». Комплекс позволяюет рассчитать и оценить устойчивость откосов в сложных инженерно-геологических условиях. Рассматривался поперечный профиль для участка железной дороги «Таежный-Камарчага», с перспективным значением поездной нагрузки 80 кПа. Земляное полотно представлено насыпью высотой 20 м. При подготовке к расчету задаются физикомеханические характеристики насыпи (табл. 1). Расчет выполнялся с использованием метода Г.М. Шахунянца [6].

Таблица 1

Физико-механические характеристики грунтов

Решение задачи усиления земляного полотна подразделялось на два этапа.

Первый этап.

Моделирование по заданным физико-механическим характеристикам неукрепленной насыпи (рис. 3).

В программном комплексе GeoStab была выявлена круглоцилиндрическая поверхность скольжения с координатами центра

Х = 31,165 м Y = 32,235 м

458

Современные геотехнологии в строительстве и их научно-техническое сопровождение

и радиусом

R = 33,502 м.

Расчетом было установлено, что коэффициент устойчивости в левой части насыпи [kуст.л]=1,50, а в правой части [kуст.п]=1,06 (состояние предельного равновесия). Требуемое нормативное значение коэффициента устойчивости, установленное по СТН Ц-01-95 [6], составляет [kуст.н]=1,20.

Таким образом, для левой части [kуст.л]=1,50 > [kуст.н]=1,20, для правой части насыпи [kуст.п]=1,06 < [kуст.н]=1,20. Соответственно, необходимо произвести усиление правой части насыпи до требуемых нормативных значений.

Рис. 3. Эксплуатируемая насыпь

Второй этап.

Для решения поставленной задачи был применен метод струйной цементации грунтов. В результате расчета, для укрепления насыпи до требуемых значений, были получены следующие результаты:

оптимальная длина свай, в зависимости от распложения к поверхности сечения: от 3,3 до 7,2 м;

диаметр сваи: 600 мм;

расстояние между сваями: от 1м. до 2м.

При данных параметрах полученный коэффициент устойчивости [kуст.п*] =1,23, удовлетворяет нормативным условиям.

[kуст.п*]=1,23 > [kуст.н]=1,2

Рис. 4. Насыпь, укрепленная грунтоцементными сваями

459

Раздел 3. Аналитические и численные методы исследований оснований и фундаментов

Выполненный расчет показывает, что для усиления опасных участков земляного полотна, находящихся под нагрузкой от железнодорожного транспорта, вполне применим, наряду с уже довольно часто применяемым нагельным и анкерным усилением, метод струйной цементации грунтов. Данные метод позволяет, учитывая современное развитие данной технологии, относительно недорого и в приемлемые временные сроки выполнять задачу по укреплению железнодорожных насыпей.

Литература

1.Малинин А.Г. Струйная цементация грунтов: Монография/А.Г Малинин. – Пермь: Пресстайм, 2007. – 168 с.

2.Ашпиз Е.С. Мониторинг эксплуатируемого земляного полотна. Теоретические основы и практические решения. – М. МИИТ, 2002.-396 с.

3.Сравнительная оценка устойчивости земляного полотна на оползневом участке железной дороги / Зайцев А.А. Рюмин М.Г. Горлов А.В. Папаяни А.В. // Инновационные конструкции и технологии в фундаментостроении и геотехнике: матер. Научнотехнической конференции с международным участием 27-29 октября 2013 г. С. 315.

4.СП 24.13330.2011 «Свайные фундаменты»

5.СТО-001-2006 «Стандарт организации «ИнжПроектСтрой» по применению свай, устраиваемых с использованием струйной геотехнологии», НИИОСП им. Н.М. Герсева-

нова, 2006 г.

6.Строительно-технические нормы МПС РФ. Железные дороги колеи 1520 мм СТН Ц-01-95.

УДК. 624.1:625.122

Ю. К. Фроловский, А.А. Зайцев, А.В. Горлов

(Московский государственный университет путей сообщения, Москва)

ГЕОТЕХНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ НАСЫПИ НА УЧАСТКЕ «ТАЕЖНЫЙКАМАРЧАГА» КРАСНОЯРСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

В МИИТе были проведены геотехнические расчеты для оценки состояния деформирующегося эксплуатируемого земляного полотна на участке Та- ёжный-Камарчага Красноярской железной дороги и обоснования возможности его усиления нагельными конструкциями.

На основе материалов инженерных изысканий и проектной документации [1] был выполнен расчетный анализ для установления причин и условий деформированиядлительноэксплуатируемойдвухпутнойнасыпивысотойдо20.0 м.

Участок пути, на котором отмечены деформации, представлен насыпью, сложенной неоднородными глинистыми грунтами разной консистенции (от твердой до текучепластичной), построенной на прочном основании из суглинков твердой и полутвердой консистенции. Всего было выделено де-

460