АНАЛИЗ УСИЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПРОСАДОЧНОГО ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ ВЕРТИКАЛЬНЫМИ СТОЛБАМИ ИЗ ЩЕБНЯ

АНАЛИЗ УСИЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПРОСАДОЧНОГО ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ ВЕРТИКАЛЬНЫМИ СТОЛБАМИ ИЗ ЩЕБНЯ

Артюшенко Игорь Александрович

канд. техн. наук, старший преподаватель, Российский университет транспорта (МИИТ),

РФ, г. Москва

Соковых Иван Михайлович

специалист, Российский университет транспорта (МИИТ),

РФ, г. Москва

REINFORCEMENT ANALYSIS OF BEARING CAPACITY FOR THE COLLAPSING BED-PLATE ON PERMAFROST SOILS BY USING HARD STONE VERTICAL SHAFTS

Igor Artyushenko

Candidate of technical sciences, academic chief Russian University of Transport,

Russia, Moscow

Ivan Sokovykh

Graduate, Russian University of Transport,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрена технология усиления несущей способности основания земляного полотна на мерзлых грунтах при помощи вертикальных столбов из щебня на примере участка Северного Широтного Хода. Произведен расчёт прочностных характеристик и проведено сравнение неармированного и армированного оснований. 

ABSTRACT

This article presents the reinforcement of bearing capacity for the bed-plate on permafrost soils by using hard stone vertical shafts technology using example of the North-Latitudinal Run. Calculations of strength characteristics and comparison of unreinforced and reinforced bed-plates has been done.

Ключевые слова: земляное полотно, основание, вечная мерзлота, усиление, вертикальные столбы из щебня

Keywords: roadbed, bed-plate, permafrost, reinforcement, hard stone vertical shafts

Актуальность темы выражена в необходимости развития перспективного проекта - железнодорожной магистрали Северный Широтный Ход (СШХ). Грунтовые массивы расположены в зоне вечной мерзлоты и подвержены сезонному оттаиванию. В процессе строительства СШХ крайне необходимы технологические решения по повышению стабильности и устойчивости основания на слабых грунтах. Высокие темпы развития геотехники позволяют в сжатые сроки оценить прочностные характеристики основания и найти необходимый вариант его усиления.

Цель: анализ применения технологии усиления основания земляного полотна в криолитозоне вертикальными столбами из щебня.

Постановка задачи.  В данной статье рассмотрен участок железнодорожной линии СШХ Обская – Салехард, где залегают многолетнемерзлые грунты. Необходимо оценить стабильность основания земляного полотна и принять меры по повышению его устойчивости.

Анализ деформативности и устойчивости на ПК 02+50 – ПК 07+50

Проектирование земляного полотна выполнено в соответствии с действующими нормативными документами СП 119.13330.2017, СП 32-104-98.

Минимальная ширина земляного полотна из дренирующих грунтов на прямых участках пути принята в соответствии c СП 119.13330.2017 шириной 6,60 м (защитный слой из дренирующего грунта) [11].

Ширина насыпи может быть в от технических и условий. Насыпи в мерзлоты возводятся с на оттаивание.

Исходя из геокриологических данных, 50-60% планируемой железной дороги проходит в районах с высокотемпературной вечной мерзлотой с островным распространением.

На сухих местах для отсыпки земляного полотна применяется песок пылеватый. Защитный слой в верхней части насыпи земляного полотна будет гравийно-галечниковый и толщиной 1,0 м. Под защитный слой необходимо уложить нетканый геотекстиль. Заложение откосов насыпи 1:1,2. В холодный период происходит чрезмерное нарастание льда. Это происходит за счет миграции воды под действием естественных электромолекулярных сил. Движению свободной воды также способствует содержащееся в ней гидростатическое давление, которое возникает зимой, когда грунт поднимается.

После оттаивания в течение летнего сезона вода из этого слоя возвращается в грунт. В результате повышается влажность и способность грунта к пучению под насыпью. Также начинается движение поверхностных вод. Все это даёт отепляющий эффект основанию насыпи.

На оттаивание грунта уходит несколько десятков лет. Поэтому в период строительства необходимо контролировать движение воды, чтобы предовратить деформации основания земляного полотна. Эта мера также необходима для повышения устойчивости возводимой насыпи.

Сезонное оттаивание деятельного слоя происходит постепенно и сверху вниз. Верхний талый слой препятсвует перемещению воды через нижний еще мерзлый слой грунта. Для того, чтобы собирать и отводить воду, необходимо создать специальное дренажное устройство.

В устройство дренажа вода попадает довольно быстро, так как талый грунт имеет комковатую структуру. Исследования показали, что коэффициент фильтрации увеличивается. Например, коэффициент фильтрации глины при оттаивании увеличивается в разы по сравнению с естесвенным значением.

При сезонном оттаивании промершего слоя вода перемещается по дренажу и не возвращается в нижние слои грунта. Устройство дренажа также обеспечивает отвод атмосферных вод и большого количества талой воды, которая скапливается на насыпях.

Анализ деформативности оснований и устойчивости насыпи

Физико-механические характеристики грунтов основания:

Рисунок 1. Физико-механические характеристики грунтов основания

Рисунок 2. профиль на участке ПК 02+50 – ПК 07+50,  смоделированный в програмном комплексе MIDAS GTS NX

Необходимо произвести расчеты по формулам из учебного пособия «Расчеты и проектирование железнодорожного пути» под редакцией д-ра тех. наук, проф. Виноградова В. В. [9].

Расчет критических нагрузок:

Примечание: так как мы рассматриваем точку в самой вершине деятельного слоя, то h_д.с.=0, а следовательно и произведение , по этому они и пропадут в расчете (3).         

Примечание: для вычисления ctg необходимо брать угол в градусах, а для арифметических операций необходимо угол переводить в радианы.

Расчет эксплуатационных нагрузок на деятельный слой:

Расчет нагрузок от подвижного состава и от верхнего строения пути (ВСП) производится по формуле [9]:

где Ϭ_всп/тр – напряжение от ВСП/подвижного состава  ();

I_всп/тр – табулированное (вспомогательное) число, зависящее от ширины прикладываемой нагрузки b_всн/тр (м) и глубины расположения слоя основания Y_всп/тр., (м)

P_всп/тр – нагрузка от ВСП/подвижного состава, действующие на основание насыпи;

4.2 Расчет коэффициента безопасности

Коэффициент безопасности деятельного слоя [8]:

где  коэффициент безопасности  деятельного слоя,  Убрать все картинки

- критическая нагрузка, воспринимаемая деятельным слоем (кН/м²),

- эксплуатационная нагрузка, действующая на деятельный слой (кН/м²).

После расчета вручную мы проверяем эту же насыпь в программном комплексе «MIDAS GTS NX».

Рисунок 3. Изополя перемещений земляного полотна, рассчитанные в программном комплексе MIDAS GTX NS

Рисунок 4. Расчет коэффициента стабильности в программном комплексе MIDAS GTX NS

=1,005<1,15 – устойчивость основания не достигнута

Соответственно, необходимо проведение комплекса мероприятий по армированию данного основания земляного полотна.

Усиление основания земляного полотна вертикальными столбами из щебня

Процесс усиления грунтов основания вертикальными столбами из щебня показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Усиление грунтов основания вертикальными столбами из щебня

Кран Liebherr LR 1100 [12] с насадкой BC-1 использовался в качестве оборудования для строительства вертикальных столбов из щебня.

Стадии устройства вертикальных столбов из щебня:

- доставка щебня

- наполнение щебнем приемного резервуара

- погружение виброколонны

- введение щебня и его уплотнение с помощью попеременных движений вверх и вниз

Определим оптимальное расположение вертикальных столбов из щебня для усиления основания земляного полотна участка Обская-Салехард ПК 02+50 – ПК07+50, проанализировав их влияние на прочностные характеристики грунтов основания, модуля деформации, и коэффициент безопасности сооружения.

1. Рассчитывается коэффициент активного давления Kas материала вертикального столба из щебня:

где j_c - угол внутреннего трения материала вертикальных столбов из щебня.

2. Рассчитывается коэффициент усиления n в зависимости от отношения площадей вертикальных столбов из щебня и усиленного массива:

где; А_s – площадь влияния вертикального столба из щебня; К_аS - коэффициент активного давления материала вертикального столба из щебня.

3. Определяется пропорциональный параметр

где n - коэффициент усиления

 4. Определяются сцепление и тангенс угла внутреннего трения усиленного массива, на их основе рассчитывается угол внутреннего трения усиленного массива:

где с' - удельное сцепление усиленного массива; cs - удельное сцепление грунта; m' - пропорциональный параметр;

где tanj ¢ - тангенс угла внутреннего трения усиленного массива; m¢ - пропорциональный параметр; tanjc - тангенс угла внутреннего трения материала вертикальных столбов из щебня; tanj_с - тангенс угла внутреннего трения грунта.

5. Определяется модуль деформации усиленного массива:

где V_гр - объём усиливаемого массива грунта; V_арм - объём армирующих элементов; Е_арм, Е_гр - расчетные значения модуля деформации армирующих элементов (щебня) и модуля деформации грунта. Определим наиболее оптимальный шаг расстановки вертикальных столбов из щебня для усиления грунтов основания участка Обская-Салехард ПК 01+50 – ПК 06+50, проанализировав их влияние на прочностные характеристики грунтов основания, модуль деформации и коэффициент безопасности сооружения.

6. изменения сцепления в с различных вертикальных

7. изменения угла трения в с различных расстановки

Рисунок 8. зависимости угла трения в от использования расстановки столбов

Рисунок 9. коэффициентов с различных расстановки

шаг вертикальных из щебня 2,6х2,2 для более эффективен, чем остальные (рисунок 9). Наиболее значения, на несущую грунтов основания, при между 2,6х2,2.

В MIDAS GTS NX выполнен поверочный расчёт смещения, усиленного столбами из щебня земляного полотна (рисунок 10).

Рисунок 10. Расчет смещения земляного полотна в программном комплексе «MIDAS GTS NX»

Рисунок 11. Расчет коэффициента безопасности в программном комплексе «MIDAS GTS NX»

Рисунок 12. Шаг столбов из и их влияния

Вывод. В рамках статьи раздела была проанализирована технология усиления основания вертикальными столбами из щебня. В результате исследования была доказана эффективность использования данной технологии на слабых грунтах. Максимальный прирост коэффициента безопасности был получен при использовании шага расстановки 2,6x2,2. Вертикальные столбы из щебня существенно увеличивают устойчивость основания. 

Список литературы:

1. Артюшенко, И.А. Зависимость физико-механических характеристик и коэффициента безопасности грунтового массива от шага расстановки вертикальных столбов из щебня // Транспортные сооружения, 2020. – №2. – 11 с.
2. Артюшенко, И.А. Усиление основания земляного полотна вертикальными столбами из щебня на участках с многолетнемерзлыми грунтами дисс. кан. тех. наук: 05.23.02 / Артюшенко Игорь Александрович. – М. 2020 – 175 с.
3. Ведомственные строительные нормы ВСН 61-89. Изыскания, проектирование и строительство железных дорог в районах вечной мерзлоты/ Минтрансстрой СССР. – М.: ЦНИИС, 1990. – 208 с.
4. Ведомственные строительные нормы ВСН 84-89. Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты / Минтрансстрой СССР. - М., 1990. – 176 с.
5. Луцкий С.Я., Хрипков К.Н. Несущая способность вечномерзлых основания // Строительная техника и технологии, 2014. - № 5 - С. 104–109.
6. Луцкий С.Я., Черкасов А.М., Хрипков К.Н. Технология строительства в криолитозоне. Ж. «CTT» №7, 2012. - С. 58-65
7. Луцкий С.Я., Шепитько Т.В. и др. Строительство путей сообщения на Севере. М.: ЛАТМЭС, - 2009. - 286
8. Маслов, Н.Н. Основы инженерной геологии и механики грунтов. – М: Высш. школа, 1982. – 511 с
9. Расчёты и проектирование железнодорожного пути: Учебное пособие для студентов вузов ж.-д. трансп./ В.В.  Виноградов, А.М. Никонов, Т.Г. Яковлева и др.; Под ред. В.В. Виноградова и А.М.  Никонова. – М.: Маршрут, 2003. – 486 с.
10. СП 25.13330.2020. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах / Минстрой России, 2020 – 143 с.
11. СП 119.13330.2017. Железные дороги колеи 1520 мм / Минстрой России, 2017 – 40 с.
12. Техническое описание гидравлического гусеничного крана Liebherr LR 1100. – 32 c.
13. Priebe, H.J. Design of vibro replacement / Ground Engineering, Dec, 1995. – 16 p.