УСИЛЕНИЕ ОСНОВАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ НАСЫПИ НА МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

В связи с увеличением потребности в природных ресурсах и слаборазвитой транспортной сети в северных регионах, активно происходит строительство и реконструкция инфраструктуры железных дорог. Впервые инженеры столкнулись с проблемой освоения многолетнемерзлых грунтов в Забайкальском крае. Тогда не было достаточно полного представления о влиянии насыпи железной дороги на мерзлые породы. Поэтому некоторые выводы о механике работы мерзлого основания оказались ошибочны, что и показывает динамика развития дефектности земляного полотна мнение оказалось ошибочным.

На сегодняшний день стоит вопрос о реконструкции транспортных сооружений, в частности об усилении оснований насыпи, ослабление которых вызвано нарушением естественного теплового режима. Устойчивость и надежность железных дорог, построенных на многолетнемерзлых породах, в большинстве случаев связана с устойчивостью самих мерзлых пород. В криолитозоне применяются два принципа реконструкции: первый – оттаявшие грунты основания замораживаются или над ними проводят ряд инженерных решений для сохранения в замороженном состоянии при дальнейшей эксплуатации; второй принцип основан на использовании грунтов в оттаянном состоянии, но с применением методов усиления, при этом в ряде случаев требуется замена грунтового основания. На сегодняшний день существуют множество способов укрепления основания земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах и сохранения его в мерзлом состоянии, к числу которых относятся:

 - использование каменной наброски на откосах насыпи земляного полотна или устройство охлаждающих берм;

- укладка пенополистирольных плит на откосы насыпи;

 -охлаждение основания земляного полотна с помощью солнце-осадкозащитного навеса;

- укрепление основания земляного полотна путем замещения льдистых массивов непросадочными грунтами;

- охлаждение основания с помощью вертикальных и горизонтальных термосифонов, устанавливаемых на берме насыпи земляного полотна.

При выборе принципа реконструкции следует учитывать возможность дальнейшей деградации земляного полотна. Для этого следует определить фронт оттаивания и его распространение во времени. Если метод усиления позволит сохранить земляное полотно в рабочем состоянии до следующий плановой реконструкции, то его применение целесообразно.

На данный момент одним из прогрессивных методов защиты основания насыпи является укрытие откосов защитными экранами. Экран защищает откос земляного полотна от попадания прямого солнечного луча, что исключает прогрев земляного полотна прямой солнечной радиацией, также исключается попадание осадков. Эти защитные свойства способствуют усиленному охлаждению основания. Согласно статическим данным применение защитных экранов может понижать температуру грунтов основания на 3-4 ^oC .

Рисунок 1. Укрытие откосов насыпи защитными экранами

В работе рассмотрен проблемный участок насыпи железной дороги на Байкало-Амурской магистрали. Непосредственно сам участок работ  располагается на склоне южной экспозиции отрогов Талачинского хребта. В геоморфологическом отношении  площадка расположена на первой и второй  надпойменной террасе на левом борту реки Ингоды перекрытой с поверхности отложениями пролювиально-делювиального  конуса  выноса  выходящего из долины р. Аджак.

Перед тем как выбрать метод усиления основания необходимо изучить причину деформаций. По результатам инженерно-геологических изысканий была установлена граница многолетней мерзлоты, и состояние верхнего слоя основания. Из-за теплового воздействия насыпи включения льда, находящиеся в составе мерзлого грунта, перешли в талое состояние и произошло ухудшение его свойств, что повлекло за собой деформации насыпи. В программном комплексе MIDAS GTS NX выполнено цифровое моделирование участка земляного полотна проблемной зоны и задана поездная нагрузка согласно категории железной дороги. Модель земляного полотна была описана согласно теории Мора-Кулона. Элементы насыпи были рассмотрены в качестве материалов, обладающих свойствами грунтов, изученных в следствии инженерно-геологических изысканий [2]. Использованные при составлении модели характеристики представлены в таблице 1. Геометрическое очертание модели принято в соответствии с материалами топографо-геодезических работ.

Таблица 1.

Физико-механические характеристики грунта

В грунтовых условиях так же присутствует торф, прочностные характеристики талого торфа определялись в опытных скважинах сдвигомером - крыльчаткой согласно ГОСТ - 20276-2012. Полученные результаты испытаний использовались при описании моделей соответствующих слоев грунта.

Рисунок 2. Конечноэлементная модель проблемной зоны

Разработанная модель земляного полотна была использована для расчетов по первой и второй группе предельных состояний. При этом второй расчет (по устойчивости) выполнен с использованием расчетного модуля "SAM". Расчет модели этим методом подразумевает классический расчет по КЦПЕ, реализуемый последовательным перебором вариантов заданной сетки центров радиусов в совокупности с изменяющимся положением касательных к окружностям, которые образованны этими радиусами. Результат расчета приведен на рисунке 2.

Рисунок 3. Расчет устойчивости метод SAM

Расчет деформаций выполнен в модуле "Nonlinear Static", реализуемый принцип поэтапного накопления деформаций конечных элементов системы. Результаты расчетов отражены на рисунке 3.

Рисунок 4. Деформации вызванные подвижной нагрузкой

Из расчетов видно, что устойчивость земляного полотна обеспечивается в полной мере, связано это с относительно небольшой высотой насыпи, а также наличием гравитационного сооружения в виде бермы. Расчет осадки земляного показал, что максимальные деформации модели превышают установленные в [4, таблица 3] нормативные значения, то есть составляют более 150мм, следовательно необходимо произвести усиление основания насыпи. Причиной таких деформаций служат низкие деформационные характеристики оттаявшего верхнего слоя основания. Также из рисунка 3 видно, что деформации имеют затухающий характер по глубине, это объясняется достаточно высокими механическими характеристиками мерзлой породы.

В качестве мер по уменьшению деформаций сооружения были рассмотрены два метода повышения механических характеристик массивов грунта применяемых в данных природно-климатических условиях Первый метод представляет собой арматуру с выпусками сделанными на поверхности, при взаимодействии с окружающей средой, будут охлаждаться. Работая как температурный мост, каждый стержень постепенно будет замораживать основание земляного полотна, возвращая его в исходное состояние. Так же при застывании грунта в работу будет вступать армоконструкция, которая позволит увеличить несущую способность основания. Если подобрать достаточное количество стержней, то возможно обеспечить необходимую энергию для замораживания грунта и частиц в нем. Сущность второго метода заключается в укрытие откосов насыпи защитными экранами. В ходе анализа принципов работы данных методов принято предложение о возможности их совместного использования. Данная комбинация предполагает, что замораживание будет усиливаться не только за счет стержней, но и при помощи защитных экранов. В летнее время, необходимо устройство защитных экранов, которые будут предохранять выпуски арматуры от нагрева, который в свою очередь может повлиять на уже замершее основание. Для определения качественного эффекта действия метода в расчетном комплексе была составлена модель откоса исследуемой насыпи и произведен идеализированный теплотехнический расчет, результат расчета приведен на рисунке 5.

А)

Б)

Рисунок 5. Теплотехнический расчет насыпи; А) С учетом стержней; Б) Без учета стержней

Предполагалось, что энергия передаваемая стержнем идет только на охлаждение грунта. Стержни были выбраны диаметром 32 мм, грунты насыпи и основания были объединены в один РГЭ по теплопроводным характеристикам. В ходе исследования было проведено два теплотехнических расчета с арматурой и без нее.

Из расчета видно, что введение армирующего элемента, работающего как мостик холода увеличивает глубину промерзания грунта за один цикл. Так же, охлаждаясь, стержень будет выступать в качестве армирующего элемента, эффект достигается за счет образования смерзающегося грунта вокруг стержня и проявляется на стадии предшествующей полному замораживанию основания. Это позволит уменьшить деформации земляного полотна до того времени, пока основание не будет окончательно заморожено.

Заключение по выполненной работе можно сформулировать следующем образом. Качественная картина рассмотренного в работе метода указывает на то, что сочетание защитных экранов и нагельных конструкций позволяет эффективно увеличить промораживание грунтового массива. Для получения количественных данных о работе системы необходимо выполнить дополнительные расчеты и исследования в том числе и натурные.

Список литературы:

1. СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 2011. - 161 с.
2. Руководство по определению физико - механических характеристик балластных материалов и грунтов земляного полотна. № ЦПИ - 36. Транспорт. М.2005.
3. Железные дороги колеи 1520 мм. Строительно-технические нормы  Министерства путей сообщения Российской Федерации. СТН Ц-01-95. – М., 1995. – 86 с.
4. СП 237.1326000.2015 Инфраструктура железнодорожного транспорта. Общие требования