Technological regulation of the construction of the roadbed

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Повышение несущей способности оснований насыпей железных и автомобильных дорог актуальна на обводненных грунтах, а также соответствует «Транспортной стратегии РФ до 2030 г.», программам строительства северных магистралей при сооружении объектов на многолетнемерзлых грунтах [1]. На этих грунтах по мере возведения транспортных объектов характеристики грунтов меняются. Повышение сред­негодовой температуры на большей части территории России активизирует негативные техногенные процессы в природно-транспортных комплексах ПТК [2].

Большинство обводненных грунтов в насыщенном водой состоянии не соответствуют по несущей способности, но, при уменьшениивлажности, характеристики этих же грунтов будут соответствовать нормативным требованиям. В ходе работ на мерзлых и болотистых грунтах следует предусматривать противодеформационные мероприятия для защиты земляного полотна и повышать их несущую способность. Поэтому в данной статье рассмотрен способ профилактики и защиты основания насыпи на стадии морозного влагонакопления.

МЕТОДИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

Прочность основания земляного полотна на высокотемпературной мерзлоте предлагается повысить в период морозного влагонакопления за счет технологии дренажа и регулируемого отжатия миграционной воды виброкатком в промерзающем грунте. Концепция заключается в устройстве дренажной системы и организации виброуплотнения основания непосредственно после завершения процесса миграции влаги к зоне промерзания для снижения влажности [3, 4].

Организация технологического регулирования строительных нагрузок должна быть параметрически связана с характеристиками процесса приращения влажности в промерзающей зоне основания за счет миграции влаги из нижних зон [4]. В этом сложном процессе непрерывно изменяются характеристики: 

• Температурный импульс для начала влагонакопления;
• Глубина промерзания;
• Критическая влажность пучения грунта;
• Скорость движения влаги;
• Соотношения между температурой и содержанием незамерзшей воды в зоне промерзания;
• Влагопроводимость талого и мерзлого грунта.

Для регистрации характеристик грунтов в ходе работ предлагается организовать технологический мониторинг в режиме реального времени на основе современных средств – опто-волоконного кабеля (ВОК) и геофизических методов исследования.

Для технологического регулирования процессов упрочнения переувлажненных грунтов предлагается применение разработанной в РУТ (МИИТ) комплексной технологии возведения земляного полотна, включающей этапы:

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

В подготовительный период на первом этапе следует выполнить работы по устройству сетей контроля температурного режима 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 насыпи, включая состав грунтов. Начальный и регулярный опросы сетей особенно важны при длительном использовании технических решений по отжатию воды и стабилизации грунтов оснований для учета их состояния во времени.

Второй этап данной комплексной технологии – устройство дренажа в виде дренажных прорезей (ширина до 1,5 м, глубина до 1 м, крупный песок с коэффициентом фильтрации свыше 4 м/сут.) и защитного песчаного слоя с геотекстилем [5]. Прорези в слабых водонасыщенных грунтах обеспечивают ускорение консолидации основания за счет сокращения пути фильтрации и отвода воды. Работы по устройству дренажной системы следует завершить до промерзания деятельного слоя, чтобы использовать процессы миграции воды в защитный слой и отжатие по дренажным прорезям [6].

Произведем расчет на основе данных, приведенных в Табл. 1 и 2:

Таблица 1. Физико-механические характеристики грунтов основания

на ПК 3083+50 – ПК 3084+50 [7]

Снижение накопленной влажности грунтов за счет дренажной системы:

$\Delta W=n·\frac{{\text{γ}}_{\text{в}}}{{\rho }_d}-\left(1+\alpha \right)·W_p$, (1)

где n - пористость грунта, % (0,46);

${\text{γ}}_{\text{в}}$ - плотность воды (10 т/м³);

${\rho }_d$ - плотность скелета грунта, т/м³ (14,4 т/м³);

$\alpha$ - количество капиллярно застрявшей воды в долях (0,1);

W_р- влажность на границе раскатывания, д.е. (0,245 д.е.);

$\Delta W=\mathrm{0,46} ·\frac{10}{\mathrm{14,4}}-\left(1+\mathrm{0,1}\right) · \mathrm{0,245}=5 \%$

Из-за уменьшения влажности деятельного слоя в период морозного пучения и оттаивания, аза счет отвода накопленной защитным слоем воды за пределы строительной площадки, изменились и прочностные характеристики грунта:

Влажность W=26,7 %;

Сцепление С=16,5 кПа;

Угол внутреннего трения φ=13,7⁰.

Третий этап – виброуплотнение грунтов в интенсивном режиме с применением виброкатка, отжатие воды и пошаговое ежедневное повышение технологической нагрузки при мониторинге состояния грунтов и нагрузок. [4] Выбор типа виброкатка и режима его работы должен быть выполнен с учетом ограничения:

$\left[P_{б}\left(с,\text{φ},w\right)-P_{п}\right]\ge \left[P_{к}+P_{з}\right]$, (2)

где P_б – безопасная нагрузка, не вызывающая появление предельного состояния грунта по сдвигу, зависит от состояния грунта в технологическом цикле; P_к – регулируемая нагрузка виброкатка, зависящая от веса вальца, скорости движения и амплитуды вибрации; P_з – нагрузка от песчаного защитного слоя; P_п – поровое давление [2].

Отжатие воды происходит наиболее эффективно во время промерзания грунта. В этом заключается главная особенность и вместе с тем сложность – выбор оптимального времени начала уплотнения грунтов в интенсивном режиме. Глубина промерзания рассчитывается по формуле:

${\text{ξ}}_{з}=\sqrt{s_{з}^2+\frac{2{\text{λ}}_{м}\left|{\text{Ω}}_{з}^{покр}\right|}{Q_{ф}}}-s_{з}$; (3)

$s_{з}={\text{λ}}_{м}\left(\overline{R_{сн}}+R_{П}^{з}\right)$. (4)

Определение глубины оттаивания в летний период:

${\text{ξ}}_{л}=\sqrt{s_{л}^2+\frac{2{\text{λ}}_{т}{\text{Ω}}_{л}^{покр}}{Q_{ф}}}-s_{л}$; (5)

$s_{л}={\text{λ}}_{т}{R}_{П}^{л}$, (6)

где $R_{П}^{л}$,  — летнее и зимнее термические сопротивления напочвенного покрова; 

R_CH – среднее термическое сопротивление снежного покрова;

λ_м, λ_т – соответственно тепло­проводность талой и мерзлой породы слоя;

Q_ф– теплота фазовых переходов промерзающего слоя;

${\text{Ω}}_{\text{л}}^{\text{покр}},{\text{Ω}}_{\text{з}}^{\text{покр}}$ – сумма градусо-часов за летний и зимний период на дневной поверхности,

ξ_л – глубина летнего оттаивания грунта,

ξ_з – глубина зимнего промерзания грунта [8].

Таблица 2. Теплотехнические характеристики грунта основания насыпи участка железнодорожной линии Обская – Салехард ПК 3083+50 – ПК 3084+50

 $s_{л}=\mathrm{1,52}·\mathrm{0,12}=\mathrm{0,18}$

${\text{ξ}}_{\text{л}}=\sqrt{{\mathrm{0,18}}^2+\frac{2·\mathrm{1,52}·60000}{19921}}-\mathrm{0,18}=\mathrm{2,85} м$

$s_{з}=\mathrm{1,71}·\left(\mathrm{0,5}+\mathrm{0,25}\right)=\mathrm{1,28}$

${\text{ξ}}_{\text{з}}=\sqrt{{\mathrm{1,28}}^2+\frac{2·\mathrm{1,71}·\left|-100000\right|}{19921}}-\mathrm{1,28}=\mathrm{3,05} м$

Расчет показал, что значение глубины зимнего промерзания превышает глубину летнего оттаивания, а это значит, что деятельный слой составит 2,85 м.

В дальнейшем в качестве расчетной толщи основания будет принята верхняя часть деятельного слоя мощностью 1,7 м, сложенная суглинком легким пылеватым текучепластичным.

Во время промерзания грунта, как только отрицательные температуры достигнут половины глубины промерзания грунта, следует начинать интенсивное уплотнение грунта с отжатием воды в дренаж [9]. До этого следует определить вид катка, в зависимости от критической нагрузки на грунт. Определим критическую нагрузку на грунт:

$P_{кр}=\frac{\text{π}·\left(\text{γ}·h+C·\cot \left(\text{φ}\right)\right)}{\cot \left(\text{φ}\right)+\text{φ}-\frac{\text{π}}{2}}+\text{γ}·h$ (7)

где γ – удельный вес грунта, т/м³;

h – толщина защитного слоя, м;

С – удельное сцепление грунта основания, кПа;

φ – угол внутреннего трения грунта основания, рад.

$P_{кр}=\frac{\mathrm{3,14}·\left(\mathrm{18,15}·\mathrm{0,4}+\mathrm{16,5}·\mathrm{4,102}\right)}{\mathrm{4,102}+\mathrm{0,24}-\frac{\mathrm{3,14}}{2}}+\mathrm{18,15}·\mathrm{0,4}=$92,14 кН/м²

Для уплотнения грунтов следует выбрать каток, параметры которого соответствуют критической нагрузке на основание. Примем и проверим грунтоуплотняющий каток HAMM 3520 со следующими характеристиками:

- масса, т – 22,5;

- вынуждающая сила, кН – 243;

- ширина вальца, м – 2,22;

- частота вибрации, Гц – 27-30;

- общая нагрузка от катка, кН – 463,65

Нагрузка от катка на поверхность деятельного слоя определяется:

$P_{к}=\frac{M_{к}}{d·l},$(8)

где М_к – общая масса катка с учетом вынуждающей силы, кН;

d – ширина следа от катка, м; (0,5м)

l – ширина вальца виброкатка, м;

$P_{к}=\frac{\mathrm{463,65}}{\mathrm{0,5}·\mathrm{2,22}}=\mathrm{208,6} кН$/м²                                 

Так как нагрузка от катка превышает критическую нагрузку на грунт, защитного слоя грунта предлагается армировать. Для армирования применим иглопробивной термоскреплённый гидроизоляционный геотекстиль Terrasafe 4000.

Нагрузка от собственного веса грунта:

$P_{г}={\gamma }_{н}·h_{н}=\mathrm{18,15}·\mathrm{0,4}=\mathrm{7,26} кПа.$

Проверка несущей способности слабого основания:

$P_{г}^{кр}+k{P}_{гт}\ge P_{о },$ (9)

где $P_{г}^{кр}$ - критическая нагрузка на грунт;

$P_{о }$ - суммарная нагрузка, действующая на слабое основание;

$P_{гт}$ – допустимая дополнительная нагрузка, воспринимаемая армирующей прослойкой, кПа;

K – поправочный коэффициент к напряжениям k = 0,35 [10].

Суммарная нагрузка, действующая на слабое основание, равна:

$P_{о}=P_{к}k+P_{г}=\mathrm{463,65}·\mathrm{0,35}+\mathrm{7,26}=\mathrm{169,5}\text{ кПа}$

Найдём критическую нагрузку на слабый грунт по формуле:

$P_{г}^{кр}={М}_1С+{М}_2{\text{γ}}_{н}{h}_{н}+{М}_3{D}_z{\text{γ}}_{осн}$ (10) 

Из (10) при j =13,7⁰ значения: М₁=12,9; M₂=8,9; М₃=0,65; D_z=1,2 м

$P_{г}^{кр}=\mathrm{12,9}·\mathrm{16,5}+\mathrm{8,9}·\mathrm{18,15}·\mathrm{0,4}+\mathrm{0,65}·\mathrm{1,2}·\mathrm{19,91}=293кПа$

Согласно (10) определяем параметр А=235 кПа/м и затем рассчитаем Р_гт:

$P_{гт}=Аh_{н}=235·\mathrm{0,4}=94 кПа.$

Проверяем условие по несущей способности:

$293+\mathrm{0,35}·94>\mathrm{169,5} кПа$

Условие выполняется.

Разделим основание на расчетные слои по прочностным характеристикам (для определения напряжений от строительной нагрузки):

– защитный слой (0,4 м);

– деятельный слой (1,7 м);

– деятельный мерзлый слой (3,3 м);

– многолетнемерзлый грунт (ММГ)

Напряжения на глубине определяются по следующему выражению:

$\text{σ}=\frac{P_k}{\text{π}}\left(\alpha +sin \alpha \right)$, (11)

где $P_k$ - нагрузка от катка.

Вертикальные напряжения на глубине 0,2 м (середина защитного слоя) равны:

${\text{σ}}_1=\frac{P_k}{\pi }\left({\alpha }_1+sin {\alpha }_1\right)=\frac{\mathrm{169,5}}{\mathrm{3,14}}·\left(\mathrm{2,79}+\mathrm{0,342}\right)=\mathrm{169,07} кПа$

Вертикальные напряжения на глубине 0,4 м (верх деятельного слоя) равны:

${\sigma }_2=\frac{P_k}{\pi }\left({\alpha }_2+sin{\alpha }_2\right)=\frac{\mathrm{169,5}}{\mathrm{3,14}}·\left(\mathrm{2,44}+\mathrm{0,643}\right)=\mathrm{166,42} кПа$

Вертикальные напряжения на глубине 0,9 м (0,5 м от верха деятельного слоя) равны:

${\text{σ}}_3=\frac{P_k}{\text{π}}\left({\alpha }_3+sin {\alpha }_3\right)=\frac{\mathrm{169,5}}{\mathrm{3,14}}·\left(\mathrm{1,78}+\mathrm{0,978}\right)=\mathrm{148,88} кПа$

Вертикальные напряжения на глубине 1,25 м (середина деятельного слоя) равны:

${\text{σ}}_4=\frac{P_k}{\text{π}}\left({\alpha }_4+sin {\alpha }_4\right)=\frac{\mathrm{169,5}}{\mathrm{3,14}}·\left(\mathrm{1,45}+\mathrm{0,993}\right)=\mathrm{131,88} кПа$

Улучшение грунтовых характеристик происходит при изменении влажности по следующему выражению:

$W=W_{пр}-\frac{W_{пр}S}{h}$ (12)

где W_пр – влажность расчетного слоя, д.е.;

S – осадка за расчетный период, м;

h – мощность расчетного слоя, м.

Изменение модуля деформации Е связано с изменением влажности грунта и определяется по формуле согласно [3]:

$\Delta Е=\frac{{Е}_{нач}\left(J_{нач}-\frac{W_{кон}-W_{раск}}{J_{р}}\right)}{J_{Lmax}-J_{Lmin}}$ (13)

где $J_{нач}=\frac{W_{пр}-W_{раск}}{W_{тек}-W_{раск}}$  – начальный показатель консистенции грунта;

W_раск – влажность грунта на границе раскатывания, д.е.;

W_кон – влажность грунта после работы катка и отжатия воды, д.е.;

J_р – число пластичности грунта, д.е.

Е_нач – модуль деформации грунта, МПа;

$J_{Lmax}$ и $J_{Lmin}$ – максимальный и минимальный показатель консистенции грунта слоя основания.

Изменение всех параметров грунта представлены в Табл. 3:

Таблица 3. Изменение параметров грунта

на участке ж-д линии Обская – Салехард ПК 3083+50 – ПК 3084+50

Для контроля температурного режима оснований, пространственных деформаций земляного полотна, мониторинг процессов промерзания и регулирования вибронагрузок в период строительства предлагается вести с применением современных средств диагностики – ВОК и режимных термометрических сетей, которые устраивают по проектной документации (ПД) для стадии эксплуатации земляного полотна. Для контроля хода температур и температурного поля глубину заложения ВОК целесообразно установить равной половине деятельного слоя. Это позволит определить фактическую степень пучинистости грунта и контролировать вибронагрузки. Для наиболее опасных мест будущей трассы предлагается применять метожы сейсморазведки.

СЕЙСМОРАЗВЕДКА ОПАСНЫХ УЧАСТКОВ ТРАССЫ

Инженерно-геологические изыскания должны обеспечивать комплексное изучение условий района (площадки, участка, трассы) проектируемого строительства, включая рельеф, геологическое строение, сейсмотектонические, геоморфологические и гидрогеологические условия, состав, состояние и свойства грунтов, геологические и инженерно-геологические процессы, и составление прогноза возможных изменений инженерно-геологических условий в сфере взаимодействия проектируемых объектов с геологической средой с целью получения необходимых и достаточных материалов для обоснования проектной подготовки строительства, в том числе мероприятий инженерной защиты объекта строительства, в том числе для повышения несущей способности основания [11].

По результатам маршрутных наблюдений следует намечать места более детальных исследований, составления опорных геолого-гидрогеологических разрезов, определения характеристик состава, состояния и свойств грунтов для применения интенсивной технологии на участках со слабым основанием.

Стационарные наблюдения  выполнять для изучения динамики развития опасных криогенных процессов, участки с вечной мерзлотой глубиной более 3 м, в которых происходит деградация мерзлоты. Необходимо исследовать динамику сезонного оттаивания, промерзания и температуры грунтов в слое нулевых годовых колебаний, а также осадки, пучения грунтов основания сооружений.

Мониторинг этих участков должен быть выполнен по индивидуальной программе. Предлагается использовать широкополосную сейсмическую аппаратуру для мониторинга земляного полотна в строительный период.

Сейсморазведка позволяет следить за изменениями в грунте от воздействия вибраций, которые будут происходить во время уплотнения грунтов виброкатком. Она позволяет анализировать смещением грунта в трех плоскостях и строить соответствующие модели деформаций оснований. Эти модели позволяют определить динамику развития деформаций и смещений и разработать прогноз состояния насыпи на перспективу [11].

В перспективе на основе широкополосной сейсмической аппаратуры и волокно-оптических кабелей целесообразно создание сети мониторинга за состоянием всех участков основания земляного полотна на высокотемпературной мерзлоте строящейся железной дороги.

Опыт разработки технологического регламента строительства участков Северного широтного хода (СШХ) показал наличие таликовых зон, которые состоят, как правило, из грунтов с низкой несущей способностью в основании земляного полотна [12]. Предложенная модификация комплексной технологии в сочетании с ВОК создает предпосылки для прогнозирования и устранения потенциально-опасных мест, профилактике пучения грунтов и соответственно для стабилизации основания [13]. Эти преимущества приводят к ускорению консолидации, сокращению сроков строительства и, соответственно, – к экономической эффективности комплексной технологии упрочнения грунтов.

Постоянный контроль температуры грунта на всем протяжении трассы, где есть слабые водонасыщенные грунты, позволяет с большей точностью определять время начала и скорость промерзания грунта, что в свою очередь позволит использовать процесс миграции воды с большей эффективностью.

Принцип работы кабеля ВОК заключается в определении влияния физических воздействий на характеристики светопроницаемости в волокне. Таким образом, оптоволокно может быть использовано в качестве линейного сенсора  [14].

В методике интенсивной технологии с применением ВОК следует учитывать особенности определения нагрузок, действующих на земляное полотно, и расшифровки данных, переданных от кабеля, на стационарные посты мониторинга. Нагрузки, действующие на верх земляного полотна, уменьшаются с глубиной. Для учета этого фактора определены коэффициенты и графики изменения величины нагрузки в зависимости от вида катка, грунтов и глубины заложения ВОК.

Таким образом, нагрузка, действующая на верх земляного полотна, после обработки данных с ВОК будет определяться с помощью формулы:

$P_{д}=\frac{P_{каб}}{\text{ξ}}$, (14)

где P_д – действующая нагрузка на земляное полотно;

$\text{ξ}$ – коэффициент изменения величины нагрузки, зависящий от вида катка $\text{ξ}$ и глубины заложения кабеля;

P_каб – величина нагрузки, полученная с помощью ВОК.

График изменения коэффициента уменьшения величины напряжения по глубине в зависимости от вида катка  представлены на Рис.1, 2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Интенсивная технология упрочнения слабых и просадочных грунтов повышает стабильность основания в процессе строительства дорог в условиях криолитозоны. Предложенная модификация интенсивной технологии стадией отжатия миграционной влаги в период морозного влагонакопления за счет дренажной системы и виброуплотнения в режиме технологического регулирования в сочетании с применением ВОК позволяет стабилизировать основание и увеличить несущую способность грунтов для развития дорог Арктики [15, 16].

Рис. 1. Схема для определения изменения величины нагрузки (каток над кабелем)

Рис. 2. График изменения коэффициента уменьшения величины напряжения по глубине в зависимости от вида катка  (каток над кабелем)

Рис. 2. График изменения коэффициента уменьшения величины напряжения по глубине в зависимости от вида катка $\text{ξ}$  (каток над кабелем)

Применение ВОК позволяет повысить точность и оперативность определения температуры грунта по сравнению с термометрическими средствами, для которых устраивают инженерно-геологические и целевые термометрические скважины [17, 18].

Применение опто-волоконного кабеля сопровождает интенсивную технологию упрочнения грунтов в основании земляного полотна не только непрерывным контролем за изменениями температуры грунта, но и позволяет более точно определять температуру грунта в любой точке на всем протяжении, где расположен опто-волоконный кабель, в то время как термометрические скважины дают данные по температуре только в тех местах, где расположены скважины.

После строительства кабель ВОК может быть использован для мониторинга состояния железнодорожного земляного полотна при развитии транспортной инфраструктуры в экстремальных условиях Заполярья.

РЕКОМЕНДАЦИЯ К ПЕЧАТИ

Доктор технических наук, профессор института пути, строительства и сооружений РУТ(МИИТ) Луцкий Святослав Яковлевич является научным руководителем аспиранта Лычковского Александра Александровича и рекомендует данную статью к публикации.

About the authors

Alexander A. Lychkovskiy

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

Рostgraduate

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure: 1. Scheme for determining the change in the value of the load (roller over the cable)

Download (70KB)

Indexing metadata

3. Figure: 2. The graph of the change in the voltage reduction factor along the depth, depending on the type of roller (roller over the cable)

Download (62KB)

Indexing metadata