Modernization of the complex technology of construction of the roadbed

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Задача повышения несущей способности основания геотехнических сооружений актуальна, она соответствует стратегии развития железнодорожного транспорта до 2025 года с повышением массы грузовых поездов и требованиями по развитию и обеспечению безопасности инфраструктуры [1].

КОМПЛЕКСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВОЗВЕДЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

Существующее состояние несущей способности земляного полотна и искусственных сооружений на слабых основаниях не в полной мере соответствует перспективным нагрузкам грузовых поездов, которые должны быть достигнуты к 2025 году.

Опыт постройки и эксплуатации дорог показал, что безопасность сооружений должна быть обеспечена уже в строительный период. В строительных нормах и правилах содержатся конструктивные решения для завершенных геотехнических объектов, обеспечивающие их устойчивость и стабильность. Между тем, на слабых грунтах актуальны требования технологической надежности незавершенных геотехнических сооружений при изменении физическо-механических и теплофизических характеристик .

Для упрочнения слабых и переувлажненных грунтов предлагается модернизировать разработанную в РУТ (МИИТ) комплексную технологию возведения земляного полотна [2], включающую этапы:

1. Подготовительный этап;
2. Устройство дренажной системы в верхнем слое основания;
3. Организация виброуплотнения грунтов и отжатия воды в дренажную систему.

В подготовительный этап следует выполнить работы по устройству сетей контроля температурного режима [3] оснований и пространственных деформаций земляного полотна, которые позволят зарегистрировать изменения параметров тепло­обмена насыпи, основания и окружающей среды. В ходе работ могут измениться многие начальные характеристики объекта, особенно основания насыпи, включая состав грунтов. Регулярный опрос сетей необходим для длительного периода использования технических решений, применяемых в комплексной технологии, особенно по снижению влажности и стабилизации грунтов оснований.

Второй этап – устройство дренажной системы, включающей дренажные прорези (ширина до 1,5 м, глубина до 1 м, крупный песок с коэффициентом фильтрации свыше 4 м/сут) и защитный песчаный слой с геотекстилем [4]. Прорези в слабых водонасыщенных грунтах обеспечивают ускорение консолидации основания за счет сокращения пути фильтрации и отвода воды. Завершить работы по устройству дренажной системы следует до промерзания деятельного слоя, когда можно использовать процессы миграции воды в защитный слой и ее отжатие по дренажным прорезям.

 Третий этап включает выбор техники и оборудования для уплотнения грунтов в интенсивном режиме с заделом на ежедневное постепенное повышение нагрузки. Производить работы следует при постоянном мониторинге состояния грунтов и нагрузок. Выбор типа виброкатка и режима его работы должен быть выполнен с учетом ограничения:

$\left[P_{б}\right(с,\phi ,w)-P_{п}]\ge [P_{к}+P_{з}]$                       (1)

где Pб – безопасная нагрузка, не вызывающая появление предельного состояния грунта по сдвигу, зависит от состояния грунта в технологическом цикле;

Следует отметить необходимость мониторинга состояния основания земляного полотна при виброуплотнении в режиме реального времени.  Для контроля характеристик грунтов и выполнения неравенства (1) предлагается в подготовительный период проложить по оси будущей трассы опто-волоконный кабель (ОВК) для регистрации температурного режима и нагрузок на земляное полотно. [6],[7] Устройство ОВК может быть выполнено при помощи трактора  со специальным навесным оборудованием – баровой установкой. По требованиям стабильности основания следует предварительно сравнить по [8] давление от данной машины с предельно допустимой (критической) нагрузкой Ркр на грунт:

$P_{к}р=\frac{\pi ·(\gamma ·h+C·cot(\phi )}{cot\left(\phi \right)+\phi -\frac{\mathit{\pi }}{2}}+\gamma ·h$                (2)

где:

Покажем порядок расчетов критической нагрузки применительно к исходным  данным, приведенным в Табл. 1.

Таблица 1. Физико-механические характеристики грунтов основания на ПК 3083+50 – ПК 3084+50 [9]

$P_{\mathit{к}\mathit{р}}=\frac{\mathit{3}\mathit{,}\mathit{14}\mathit{·}\mathit{(}\mathit{14}\mathit{,}\mathit{4}\mathit{·}\mathit{1}\mathit{,}\mathit{7}\mathit{+}\mathit{1}\mathit{·}\mathit{5}\mathit{,}\mathit{14}\mathit{)}}{\mathit{5}\mathit{,}\mathit{14}\mathit{+}\mathit{0}\mathit{,}\mathit{19}\mathit{-}\frac{\mathit{3}\mathit{,}\mathit{14}}{\mathit{2}}}+14,4·1,7=92,14кН/{м}^{\mathit{2}}$

В качестве базовой строительной машины выбран трактор Т10 ПМ8100,с баровой установкой, нагрузка от которого на слабый слой грунта определена по паспортным параметрам машины в размере  /м2. Давление  машины в данном примере не превышает критическую нагрузку и является допустимым.

Для реализации технологического этапа отжатия воды и упрочнения грунта следует обосновать режим работы грунтоуплотняющей техники. Для этой цели уплотнение следует начать осенью, когда связанная в грунте вода поднимается к поверхности - фронту промерзания основания. Чтобы использовать опто-волоконный кабель не только как индикатор нагрузки, но и как температурный датчик, следует принять глубину укладки равной средине слоя промерзания грунта по формуле [5]:

${\xi }_{з}=\sqrt[]{\begin{array}{c}\\ S_{\mathit{3}}^{\mathit{2}}\\ \end{array}+\frac{2{\lambda }_{м}\left|{\Omega }_{з}^{покр}\right|}{Q_{ф}}}\begin{array}{c}\\ \\ \end{array}-s_{з}$                    (3)

$s_{\mathit{з}}={\lambda }_{\mathit{м}}\mathit{(}\overline{{\mathit{R}}_{\mathit{С}\mathit{Н}}}+R_{\mathit{П}}^{\mathit{з}})$                                 (4)

Глубину заложения кабеля и координаты ее изменения следует определить по трассе земляного полотна через каждые 10 метров и передать на бортовой компьютер баровой машины, которая оснащена системой GPS навигации. Укладку ОВК выполняют по технологии [11].

Во время промерзания грунта, как только отрицательные температуры достигнут половины глубины промерзания грунта, следует начинать интенсивное уплотнение грунта с отжатием воды в дренажную систему под контролем показаний ОВК.

Опто-волоконный кабель эффективно применяется для контроля температур [12] непосредственно в грунте как непрерывный по длине датчик. В сравнении с устройством термометрических скважин диаметром до 160 мм, в которых температура должна измеряться посредством гирлянд из термометров или термодатчиками, ОВК позволяет снимать показания температуры не точечно, а на всем протяжении будущей трассы непрерывно во времени. Это позволяет эффективно регулировать режим уплотнения грунтов с учетом объема миграции воды к фронту промерзания [13].

После окончания строительства и приемки земляного полотна ОВК и оборудование переходят в состав мониторинга состояния эксплуатируемого железнодорожного участка в дополнение к контрольно-оповестительной системе для информации о повышении напряжения в грунтах основания и опасных состояниях земляного полотна [14]. Непрерывный контроль состояния грунтов в основании позволяет прогнозировать развитие деформаций земляного полотна, которые могут привести к возникновению отказов в работе и снижению надежности всей конструкции железнодорожного пути [15].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технологические режимы сооружения земляного полотна целесообразно дополнить применением опто-волоконного кабеля для оперативной информации и регулирования работы грунтоуплотняющих машин при отжатии воды в период морозного влагонакопления. Модернизация комплексной технологии упрочнения слабых и просадочных грунтов за счет функций опто-волоконного кабеля позволяет снизить влажность и повысить стабильность основания в процессе строительства. Контрольные функции ОВК полезны и в эксплуатационный период для дополнения мониторинга нагрузок на основание и состояния грунтов земляного полотна.

Статья подготовлена под научным руководством д.т.н., профессора Российского университета транспорта С.Я. Луцкого.

Автор заявляет, что настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований

About the authors

Alexander A. Lychkovskiy

Author for correspondence.
Email: Alexander_L12@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2663-0508
SPIN-code: 2671-9305

graduate student

References

Supplementary files