автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Использование метода напорной инъекции при усилении земляного полотна железных дорог



На правах рукописи

ООУА г х

ЛАНИС АЛЕКСЕЙ ЛЕОНИДОВИЧ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА НАПОРНОЙ ИНЪЕКЦИИ ПРИ УСИЛЕНИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Специальность 05.22.06 «Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 2т

Москва, 2009

003471728

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Евгений Самуилович Ашпиз

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Таисия Васильевна Шепитько кандидат технических наук, Григорий Геннадьевич Орлов

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Зашита состоится «04» июня 2009 г. в 15 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д218.005.11 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 1235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения. Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Автореферат разослан «¿5» апреля 2009 г.

диссертационного совета, д-р. техн. наук, профессор

Ученый секретарь

Ю.А. Быков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В соответствии с принятой в 2008 году «Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» основной задачей в развитии железнодорожной инфраструктуры является повышение надежности и безопасности её технических средств, и в первую очередь железнодорожного пути. Одновременно с этим планируется более интенсивное воздействие на путь за счет увеличения среднего веса и длины грузового поезда, роста скоростей грузовых и пассажирских поездов.

Земляное полотно является одним из основных элементов железнодорожного пути - его фундаментом, поэтому решение поставленных задач во многом зависит от его эксплуатационного состояния. Одной из главных причин, вызывающих необходимость усиления земляного полотна при росте интенсивности воздействия, является недостаточность его несущей способности, которая в первую очередь вызвана дефектами и деформациями основной площадки и устойчивостью откосных частей насыпей.

В настоящее время для повышения несущей способности и устойчивости земляного полотна широко используются различные способы. Однако многие из них являются дорогостоящими и в силу разных причин с учетом местных условий объектов и, особенно, из-за технологических сложностей не всегда применимы, что сдерживает темпы усиления земляного полотна. Поэтому существует необходимость в разработке новых способов усиления земляного полотна, среди которых могут найти использование известные и апробированные в фундамен-тостроении методы, позволяющие эффективно укреплять грунты. Данные методы укрепления грунтов должны быть адаптированы к усилению эксплуатируемого земляного полотна с учетом его особенностей. Среди таких методов следует выделить способ инъектирования в массив грунта под высоким давлением вяжущих растворов специально подобранного состава (метод напорной инъекции).

Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью разработки способа упрочнения грунтов при усилении основной площадки и отко-

сов насыпей железных дорог, основанного на использовании метода напорной инъекции, нашедшего распространение в гражданском строительстве.

Цель работы состоит в разработке способа усиления земляного полотна железных дорог для обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Выявлены особенности распространения инъектируемого раствора в грунтах земляного полотна, и найдены оптимальные технологические параметры инъектирования.

2. Экспериментально исследовано изменение свойств грунтового массива при напорной инъекции твердеющего раствора.

3. По результатам теоретических исследований получены решения:

- по определению коэффициента пористости и модуля деформации армированного раствором грунта с учетом включений из затвердевшего раствора;

- по оценке объема инъектируемого раствора и давления инъектирования, при которых происходит выдавливание раствора из зоны упрочнения.

4. Разработан способ усиления земляного полотна железных дорог для обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции, включающий предложения по контролированию изменения характеристик грунтов при усилении методом напорной инъекции.

Методика исследования. Для решения* поставленных задач выполнены теоретические и экспериментальные исследования, основанные на теории механики грунтов. Полевые эксперименты выполнялись на реальных объектах Западно-Сибирской железной дороги. Для расчета напряженно-деформированного состояния земляного полотна использовался метод конечных элементов, реализованный в программно-вычислительном комплексе «Р1ах1з». При разработке способа усиления земляного полотна использованы результаты исследований отечественных и зарубежных ученых в области механики грунтов и земляного полотна железных дорог.

Научная новшна работы:

1. Выделены типичные конфигурации затвердевшего раствора (пластины, столбы, массив), образующиеся в результате напорной инъекции в глинистые грунты земляного полотна, и выявлены закономерности их образования в зависимости от технологии инъеюгирования.

2. Предложен принцип предварительного ослабления структуры грунта и для его осуществления разработана конструкция инъектора.

3. Выявлено, что при упрочнении грунтов земляного полотна напорной инъекцией значение модуля деформации увеличивается в 2 - 10 раз, а значения удельного сцепления соответственно в 3 - 4 раза.

4. Получены теоретические решения по определению критической величины давления инъектирования, при которой происходит выдавливание раствора из зоны упрочнения.

5. Разработан способ упрочнения грунтов основной площадки земляного полотна и откосов насыпей методом напорной инъекции, позволяющий учесть свойства твердеющего раствора и особенности эксплуатируемого земляного полотна желез ны х дорог.

Достоверность и обоснованность результатов исследований, выводов диссертационной работы обеспечивается большим объемом экспериментальных исследований, имеющих детально проработанную методику, основанную на применении современных средств обработки опытных данных; результатами внедрения предложенных решений на объектах железнодорожного транспорта.

Практическое значение и внедрение результатов работы. Практическая значимость диссертационной работы состоит в возможности использования при усилении основной площадки земляного полотна и откосов насыпей железных дорог метода напорной инъекции и методики контролирования качества работ.

Способ усиления земляного полотна для обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции внедрен на объектах ЗападноСибирской железной дороги.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока - Транссибу» (Россия, Новосибирск, 2002 г.); на Международном геотехническом симпозиуме (Россия, Санкт-Петербург, 2003г.); на научно-технической конференции «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов» (Россия, Москва, 2003 г.); на Международной конференции по проблемам механики грунтов, фундаменго-строению и транспортному строительству (Россия, Пермь, 2004 г.); на Международной геотехнической конференции, посвященной году РФ в РК (Казахстан, Алматы, 2004 г.); на Пятой Всеукраинской научно-технической конференции по механике грунтов, геотехнике и фуцдаментостроению (Украина, Одесса, 2004 г.); на Международном геотехническом симпозиуме «Природные и техногенные чрезвычайные геотехнические ситуации» (Россия, Иркутск, 2005 г.); на Международном геотехническом симпозиуме «Geotechnical Aspects ofNatural and Man-Made Disasters» (Казахстан, Астана, 2005 г.); на Международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); на Пятой научно-технической конференции с международным участием, МИИТ (г. Москва, 2008 г.).

Публикации и изобретения. Основное содержание диссертационной работы представлено в двенадцати работах. В том числе по результатам исследований получены три патента РФ: на способ ремонта железнодорожного земляного полотна, на конструкцию инъектора и на метод определения характеристик грунтов земляного полотна, усиленного напорной инъекцией.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, содержащего 103 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Объем диссертационного исследования - 152 страницы, работа включает 53 рисунка, 18 таблиц и приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и приведена общая характеристика работы.

В первой главе выполнен обзор исследований по деформациям основной площадки земляного полотна и откосов насыпей, методов усиления земляного полотна, выполнен анализ метода напорной инъекции и дано обоснование выбранного направления работы.

Наблюдаемые дефекты и деформации земляного полотна отличаются большим разнообразием и зависят от многих факторов. Исследованиями и классификацией дефектов и деформаций земляного полотна железных дорог занимались отечественные ученые: Г.М. Шахунянц, В.П. Титов, Г.М. Моченов, В.И. Грицык, Т.Г. Яковлева, Е.С. Ашпиз, Г.Г. Коншин, В.В. Виноградов, И.В. Прокудин, Г.М. Стоянович и др.

По данным статистики на основную площадку приходится более 40% всех деформаций земляного полотна. Основными из них являются балластные углубления, связанные с недостаточной прочностью фунтов верхней части земляного полотна, в которой происходит наибольшее восприятие нагрузки от подвижного состава. Кроме того, наличие балластных углублений на высоких насыпях является частой причиной сплывов их откоса.

Анализ ранее выполненных работ показывает, что гарантированное восстановление эксплуатационной надежности деформируемых насыпей возможно путем замены верхних обводненных и разуплотненных слоев грунта, что реализуемо при полной остановке движения на длительный период. Выход из сложившейся ситуации видится в активном внедрении современных методов упрочнения и армирования грунтов. Некоторые из этих методов, в частности устройство буроинъекционных свай, стягивающих элементов, анкерных конструкций, использование разрядно-импульсной технологии нашлн отражение в указаниях МПС еще в 90-е годы прошлого века.

Рассмотренные методы трудноприменимы для усиления основной площадки земляного полотна, требуют высокотехнологичного оборудования, усложняют, а в отдельных случаях делают невозможным проведение ремонтных работ без предоставления технологических окон. Указанных недостатков лишены инъекционные методы.

Впервые инъектирование цементных растворов в грунты земляного полотна было применено в США в 1938 г. Попытки использования цементации для усиления земляного полотна предприняты в Англии, Румынии, Чехословакии, ФРГ и других странах.

В нашей стране исследования по использованию цементации для усиления балластных углублений выполнялись под руководством Д.В. Волоцкого (КИСИ, ВЗИИТ) и Л.А. Смоляницким (ДИИТ). Отмечено, что цементация является одним из прогрессивных методов усиления земляного полотна, а основное ее достоинство состоит в возможности выполнения работ без закрытия перегона и ограничения скорости движения. До настоящего времени инъекция цементных растворов на железной дороге использовалась только в режиме пропитки, то есть строго ограничивалась дренирующими грунтами. Напорная инъекция предполагает величину давления выше величины разрыва структуры грунта, поэтому из-за возможного неконтролируемого распространения раствора и отсутствия методов диагностики и контроля выполняемых работ для упрочнения грунтов земляного полотна она ранее не использовалась.

Используемые в гражданском строительстве технологии и оборудование, позволяющие инъекгировать твердеющие растворы с разрывом структуры грунта, из-за особенностей грунтов и геометрии не всегда применимы в случае усиления земляного полотна железных дорог. Для разработки способа усиления земляного полотна напорной инъекцией необходимо решение следующих вопросов:

1. Обоснование технологических параметров (оптимальная схема расстановки инъекторов, давления инъектирования, конструкции инъекторов), позволяющих контролировать распространение раствора.

2. Определение объема инъектируемого раствора и давления инъектирования, превышение которых может привести к выходу раствора из зоны усиления.

3. Прогноз изменения свойств грунтового массива после усиления, в зависимости от объема и состава раствора с определением расчетных параметров упрочненного грунта.

4. Разработка методов диагностики и контроля качества усиления.

На основании проведенного анализа литературы были сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе представлены результаты полевых и лабораторных экспериментальных исследований. Состав экспериментальных исследований определялся необходимостью решения сформулированных задач и представлен на рисунке 1.

Рис. 1 - Состав экспериментальных исследований

Исследования конфигурации затвердевшего раствора и его зависимость от технологических параметров метода напорной инъекции, исходя из состава грунтов верхней зоны земляного полотна, выполнялись на двух типах грунтов:

1) насыпных неоднородных грунтах, представленных смесью глинистого грунта и загрязненного балласта;

2) глинистых грунтах (супесь и суглинок) различной консистенции.

Исследования на насыпных грунтах выполнялись при усилении железнодорожной насыпи на 15-м км перегона Дедюево - Буреничево и земляного полотна над трубой на 88-м км линии Алтайская - Бийск Западно-Сибирской железной дороги. При производстве работ на этих объектах велся журнал, в котором отмечались технологические параметры: давление разрыва структуры грунтов, давления нагнетания и окончания.

В случае дренирующих грунтов процесс инъектирования сводится к классической пропитке. Для недренирующих грунтов требуется давление инъекти-

рования 0,4-0,5 МПа, при этом особенности распространения нагнетаемого раствора, образуемые конфигурации после затвердевания, близки к данным, получаемым при упрочнении глинистых грунтов.

Исследования в глинистых грунтах позволили выделить 3 типичные конфигурации затвердевшего раствора (пластины - 41% случаев, столбы - 39%, массивы - 20%). Отмечено, что пластины затвердевшего раствора толщиной менее 1,5 см не оказывают уплотняющего влияния на окружающий грунт. Наиболее эффективной является конфигурация затвердевшего раствора в виде массива диаметром около 40 см. В этом случае происходит уплотнение, и соответственно улучшение физико-механических характеристик на расстоянии 60-100 см от затвердевшего раствора (рис. 2).

Рис. 2 - Зависимость плотности сухого грунта'{ра) и модуля деформации (Е) от расстояния до границ фрагментов затвердевшего раствора (ф: 1 - в зоне влияния пластины; 2 - в зоне влияния столба; 3 - массива затвердевшего раствора.

Исходя из выполненных исследований, определена оптимальная схема расстановки инъекторов. Рекомендуемое расстояние между инъекторами составляет от одного до двух метров. В случае необходимости расстояние между инъекторами может быть увеличено путем их наклонного расположения с целью уменьшения расстояния между включениями затвердевшего раствора. Это расстояние определяется расчетом в зависимости от требуемых характеристик грунтов после усиления.

и

Следующим технологическим параметром, исследованным в работе, являлась оптимальная конструкция инъектора. На площадке с одинаковыми инженерно-геологическими условиями последовательно выполнено три серии опытов. В первой серии применялись типовые щелевидный инъектор и инъектор с теряемым наконечником. При использовании щелевидного инъектора требовалось первоначальное давление не менее 1,2-1,6 МПа, при использовании инъектора с теряемым наконечником соответственно 0,4-0,5 МПа. Выявлено, что применение щелевидных инъекторов для напорного инъектирования не эффективно из-за сложности применения и высоких давлений, превышающих предельное значение (0,5 МПа). В случае использования инъекторов с теряемым наконечником была высока вероятность неконтролируемого распространения, так как требуемое давление инъектирования близко к предельному значению.

С учетом выявленных недостатков разработан принцип инъектирования, основанный на предварительном направленном разрушении структуры грунта. Принцип реализован при разработке конструкции инъекторов с резцами, предназначенными для направленного ослабления структуры грунта, которые были использованы во второй серии опытов. Среднее значение первоначального давления составило 0,1 МПа. Выявлено, что при соблюдении технологических параметров высока вероятность образования включений раствора заданной формы.

В третьей серии опытов разработана технология, позволяющая образовывать в грунтах оптимальные конфигурации затвердевшего раствора заданной формы в виде массивов диаметром до 50 см. Согласно данной технологии на первом этапе давление инъектирования увеличивается до начала разрыва структуры, после чего в целях препятствия образования трещин большой длины оно снижается до величины 0,7 от давления разрыва структуры.

Для решения вопроса об эффективном методе контроля качества укрепляемого массива грунта было предложено использовать динамическое зондирование. Как показали исследования, анализируя данные зондирования, можно четко проследить распространение затвердевшего раствора и зону уплотнения окружающих грунтов. В таблице 1 приведены величины показателя динамического зондирования N и условного сопротивления Рл после упрочнения.

Таблица 1 - Показатели динамического зондирования N и условного сопротивления Рд после упрочнения

Характеристика грунта № ИГЭ N. ударов Яд, МПа

1. Грунт вне зоны влияния ИГЭ-2р 1-2 0,60-0,92

2. Грунт в зоне влияния ИГЭ-2с 2-4 1,38-1,93

3. Уплотненный грунт - 4-7 2,08-3,87

4. Затвердевший раствор - 8-15 3,80-7,20

Для возможности оценки расчетных характеристик упрочненного массива грунта исследовано влияние включений затвердевшего раствора на изменение этих характеристик, которое выполнялось с проведением штамповых испытаний грунтов естественного залегания и грунтов в зоне упрочнения.

Для штамповых испытаний была разработана конструкция, позволяющая передавать нагрузку от домкрата через балки на загруженную платформу, расположенную в месте проведения эксперимента. Площадь штампа составляла 5000 см2, диаметр - 79,8 см. Наибольший интерес представляет серия штамповых испытаний по методике, применительно к земляному полотну железных дорог. Выполненные эксперименты позволили получить значения модуля деформации и модуля упругости для фунтов естественного залегания и после их упрочнения. Как показали исследования, в результате упрочнения грунтов интегральные значения модуля деформации увеличились на порядок, а значения модуля упругости в два раза (таблица 2). В результате упрочнения величина остаточных деформаций уменьшилась в среднем в пять раз.

Таблица 2 - Результаты определения модулей деформации и упругости

№ опыта Модуль деформации, Е, МПа Модуль упругости, Еу, МПа

до упрочнения после упрочнения до упрочнения после упрочнения

1 3,5 23 29 62

2 2,1 16 32 68

3 2,8 33 38 76

4 2,6 28 35 72

Среднее 2,8 25 33 69

В расчетах несущей способности и устойчивости важным является использование интегральных значений прочностных характеристик после усиления. С этой целью проведены испытания методом среза целиков, в которых нормальное давление на грунт создавалось гидравлическим домкратом путем упора его в железнодорожную платформу. Касательная нагрузка в плоскости среза создавалась путем упора домкрата в стенку шурфа через плиту. Срез в каждой точке выполнялся при трех нормальных напряжениях.

Как показали испытания (рис. 3) значения удельного сцепления фунта земляного полотна после упрочнения повышаются до 3 раз, изменение значений угла внутреннего трения несущественно. На изменение сцепления грунта оказывает влияние армирование включениями затвердевшего раствора и уплотнение окружающего грунта.

т, МПа 0 30

о, МПа

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

Рис. 3 - Результаты испытания грунта методом целиков Как показали лабораторные исследования, модуль деформации и удельное сцепление упрочненного грунта зависят от характеристик затвердевшего раствора, которые определяются его составом. В лабораторном эксперименте были рассмотрены 13 составов инъектируемых растворов с различным соотношением глины и цемента. При этом водовяжущее отношение в смеси подбиралось, исходя из заданной удобоукладываемости инъектируемого раствора, и с увеличением содержания цемента оно уменьшалось.

В результате обобщения результатов эксперимента получена зависимость расчетных модуля деформации и удельного сцепления раствора от соотношения глины/цемента (рис. 4).).

•Модуль деформации «£» * (100 Мпа) -»-Удельное сцепление «с» ( Мпа )

Рис. 4 - Зависимость расчетных характеристик затвердевшего раствора от соотношения глина/цемент Для возможности подбора состава инъектируемых растворов разработана методика, позволяющая учитывать свойства затвердевшего раствора при проектировании характеристик упрочненного грунта земляного полотна, которая заключается в следующем. Расчетом принимаются необходимые значения характеристик затвердевшего раствора: модуль деформации и удельное сцепление и по ним, используя полученную зависимость, находится необходимый состав раствора и сроки схватывания.

В третьей главе представлены результаты теоретических исследований. В результате инъекгирования раствора с суммарным объемом У5 и его затвердевания в грунте с модулем деформации и коэффициентом пористости соответственно е<!, последний упрочняется как благодаря изменению своей структуры с более компактной упаковкой, так и благодаря добавлению включений из затвердевшего раствора (рис. 5).

Принято допущение, что форма включений из затвердевшего раствора не влияет на параметры Е„ ес, а влияет доля кр раствора в области равная кр=У^Уф Тогда коэффициент пористости определится по формуле:

1+*</), (1) где ка =к,кр - доля затвердевшего раствора в объеме У*

(а)

■Ш-^УУУУУУ'-

4

(б)

О

О

о О

О

о

I I

Рис. 5 - Вертикальный разрез выделенной области грунта: а - до упрочнения; б - после упрочнения

Величину Ес можно определить по экспоненциальной зависимости: Ес = Е<1икр[а<,(е11-е)], (2)

где коэффициент, характеризующий деформируемость конкретного грунта.

Коэффициент пористости и модуль деформации армированного грунта определяются следующими уравнениями:

Е„ =-

/а Е,

(3)

* {\ + к0ел)-к1(\+ел) ' 0 /акаЕ,+(1-ка)Е, где /а = ехр[д,,*<1(1+<?,)].

Таким образом, получены формулы (1) - (3) для расчета искомых величин гс, Ес, еа, Еа, определяемые через заданные параметры еа, Е^, Е„ ка, а^ Из последней формулы можно найти долю раствора кр, необходимого для упрочнения заданного типа грунта с параметрами Ел до требуемого модуля деформации Еа.

При определении напряжений в окрестности инъектированного в грунт раствора рассмотрен случай образования шарообразной формы раствора радиуса г0, инъектированного в грунт на глубине Ь, г0 « И (рис. 6). При принятом в постановке задачи условии аа »с, сцеплением грунта можно пренебречь.

Напряженное состояние в области К описывается системой уравнений (4) и граничными условиями (5);

г} г 1 ятвсояв^о.-а.), сг=<та-\, а, = [{\-к)4 + к?\<тг, х„ =- 1 га к' (4)

Г1 5>П'в-СО5г0 '

где Л = (г-г0)/(^-г0), г0<г<гл.

<тЛг = го) = аго> = = 0> ТЛГ = Го) = °>

Объем раствора при заданном давлении инъектирования определяется уравнением

3 а -г,

(6)

В результате действия давления от нагнетаемого раствора при определенных условиях в грунте могут развиваться полосы скольжения. Для расчета линии скольжения был разработан численный алгоритм и реализован на языке программирования Delphi. На рис.7, показана кривая линия скольжения Л2В2 в плоскости у = 0, нарезающаяся в грунте в области влияния давления ст0. Расчеты проведены при следующих параметрах: £ = 0,35, ed = 0,8f>, e0=o,4S, р = 2700 кг/м1, h = \j&M, rK = 0,03jm ст„=0,5МПа, k/t = 2, w = 0,5.

1—Т^ГТ

Рис. 6. Область грунта

Определена формула давления, при котором грунт будет выдавливаться на поверхность

сгп =

f

Га

\го;

- rp ctga

f Л+1 - rkг4' - rk> 4

yrA-

A, +1 Л,

ч

1 /

(7)

В формулах (6) и (7) величина г0 соответствует рациусу инъектированного в грунт раствора.

В четвертой главе на основании исследований разработан способ усиления земляного полотна методом напорной инъекции. В работе представлен алгоритм

реализации способа усиления в зависимости от необходимости осушения земляного полотна (рис. 8).

Рис. 8 - Алгоритм усиления земляного полотна методом напорной инъекции Для усиления земляного полотна при необходимости осушения балластных углублений предложен следующий способ, защищенный патентом РФ № 2277616. Принудительное удаление воды из балластных углублений за пределы земляного полотна осуществляется через дренажные скважины, расположенные в нижней части углубления, путем направленного нагнетания инъекторами твердеющего раствора. По мере вытеснения воды из углубления ее место занимает инъектируемый материал. При использовании твердеющих растворов со временем происходит их схватывание (затвердевание), при этом одновременно происходит сцепление инъектируемого раствора с грунтом земляного полотна. На рисунке 9 рассмотрен вариант с использованием одной дренажной скважины. Аналогичная схема разработана при двухстороннем удалении влаги. В случае отсутствия необходимости в осушении грунтов земляного полотна нагнетание раство-

ра осуществляется после расстановки инъекторов и все работы выполняются в последовательности в соответствии с предложенным алгоритмом.

Рис. 9 - Способ усиления земляного полотна с использованием одной дренажной скважины (1 - земляное полотно; 2 - дренажная скважина; 3 - инъектор). На основании анализа литературы и исследований, выполненных на реальных объектах, предложена методика контроля качества упрочнения. Наиболее часто для оценки упрочнения грунтов методом напорной инъекции используется зондирование и шурфование. В работе разработан способ контроля качества, основанный на динамическом зондировании. Обработку результатов испытаний предложено осуществлять по экспериментально полученной зависимости Л=Л„-ехр(а(/>д-Рд0)), (8)

где А и Ао - значения определяемых характеристик (коэффициента пористости, модуля деформации) соответственно в зоне упрочнения и вне ее;

Рд и Рдо - значения показателя динамического зондирования соответственно в зоне упрочнения и вне ее.

При этом значения Ао и Рд0 принимаются равными значениям, полученным в лабораторных условиях при определении коэффициента а.

Оценка методики контроля качества выполнена при внедрении способа усиления земляного полотна на 88-ом км линии Алтайская - Бийск. По результатам исследований построены графики для определения коэффициента пористости и модуля деформации, представленные на рис. 10.

Для диагностики и последующего контроля качества упрочнения грунтов земляного полотна также рекомендованы геофизические методы, среди которых следует выделить сейсмический и электрометрический методы, обладающие относительной дешевизной, мобильностью, возможностью проведения работ без нарушения сплошности упрочненного массива грунта. В работе приведены примеры использования этих методов для диагностики земляного полотна.

Рис. 10 - Экспоненциальные кривые, построенные по результатам зондирования и лабораторных определений характеристик грунтов Опытная проверка предложенного способа усиления земляного полотна выполнялась на железнодорожных насыпях 15-го км перегона Дедюево - Бурени-чево и 88-го км линии Алтайская - Бийск Западно-Сибирской железной дороги.

На первом объекте деформации протекали в виде оползания балластных шлейфов, а в междупутье проявлялись провалы грунта. В насыпи геофизическими методами были обнаружены многочисленные переувлажненные области, глубина балластных мешков достигала 5 м.

Для стабилизации проведены следующие мероприятия. Осушение верхней зоны земляного полотна выполнено путем погружения под основную площадку перфорированных трубчатых дренажей. Основная площадка насыпи и загрязненные балластные шлейфы упрочнялись путем нагнетания в ослабленные зоны раствора специально подобранного состава под давлением, превышающим структурную прочность грунта. Размещение инъекторов и дренажных труб в сечении насыпи приведено на рис. 11.

Расчет напряженно-деформированного состояния насыпи до и после её усиления методом напорной инъекции выполнялся в программно-вычислительном комплексе «Р1ах15». Задача решалась в условиях плоской деформации, применялась упругопластическая модель Кулона - Мора. В программе расчета реализо-

вана пошаговая схема нагружения грунтового массива собственным весом и внешней нагрузкой. Получены значения коэффициента устойчивости до усиления А"уст = 0,929, после усиления Куст = 1,215. При этом было использован метод послойной разбивки модели земляного полотна с возможностью варьирования объемами инъектирования, что позволило подобрать оптимальную и экономически-обоснованную схему усиления.

Рис. 11 - Схема усиления насыпи на 15-м км перегона Дедюево - Буреничево

На втором объекте электромагнитное сканирование выявило яркую аномалию строения насыпи. На поперечном створе, расположенном в 7 м от оси трубы по ходу километров прослеживалось распространение зоны разуплотнения на левый откос насыпи, где и фиксировались провалы. В соответствии с разработанными рекомендациями был реализован проект стабилизации объекта методом напорной инъекции. Схема размещения инъекторов приведена на рис. 12.

Гранта грутоастй Щебень И)1ЬС

\.......Л

к тиры

Дренаж нам труса

Упрочняемые \ сомы грунта

. " Ж.б. плиты

» \

\ "^ак-

Результаты наблюдений за усиленными объектами показали, что деформации прекратились, и существовавшие ограничения скоростей движения поездов были отменены.

Оценка экономической эффективности способа усиления земляного полотна упрочнением грунтов методом напорной инъекции выполнена на примере усиления насыпи на 15-ом км перегона Дедюево - Буреничево. Согласно проведенному расчету срок окупаемости затрат при усилении разработанным способом составил 3,5 года, а при применении способа усиления сваями разрядно-импульсной технологии 5 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Анализ опыта инъектирования твердеющего раствора в насыпные грунты показывает высокое качество их упрочнения. В случае дренирующих грунтов процесс инъектирования сводится к классической пропитке. Исследования в не-дренирующих грунтах позволили выделить типичные конфигурации затвердевшего раствора, установлены закономерности их образования в зависимости от технологии инъектирования. Наиболее эффективной является конфигурация в виде массива в диаметре около 40 см.

2. При упрочнении грунтов земляного полотна напорной инъекцией снижается их сжимаемость: интегральные значения модуля деформации увеличиваются в 2-10 раз, значения модуля упругости в 1,8-2 раза. Величина остаточных деформаций уменьшилась в 3-5 раз.

3. В результате напорной инъекции интегральные значения удельного сцепления грунта земляного полотна повышаются до 3 раз, изменение значений угла внутреннего трения несущественно. На изменение сцепления грунта оказывает влияние армирование включениями, затвердевшего раствора и уплотнение окружающего грунта.

4. В соответствии с зонами влияния определено оптимальное расстояние между инъекторами от 1 до 2 метров. В случае необходимости расстояние между инъекторами может быть увеличено путем их наклонного расположения.

5. Разработана методика подбора состава инъектирования растворов, позволяющая учитывать свойства затвердевшего раствора при проектировании характеристик упрочненного грунта земляного полотна.

6. В результате теоретических исследований:

- получены решения по определению коэффициента пористости и модуля деформации армированного инъектированным раствором грунта с учетом и без учета включений из затвердевшего раствора;

- определена зона влияния инъектирования на окружающие грунты в виде эллипсоида влияния и оценено напряженное состояние в области нагнетания;

- получено решение по определению объема раствора при заданном давлении инъектирования;

- получено решение по определению давления инъектирования, при котором происходит выдавливание раствора из зоны упрочнения.

7. Выполненные исследования позволили разработать способ усиления земляного полотна при деформациях основной площадки и нарушении устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции. При необходимости осушения основной площадки земляного полотна разработанный способ дополняется установкой дренажных труб.

8. Для контролирования качества упрочнения предложен метод, основанный на использовании динамического зондирования. Экспериментально установлена зависимость, позволяющая определять значения коэффициента пористости и модуля деформации грунтов после упрочнения.

9. При разработке проектов усиления расчеты напряженно-деформированного состояния земляного полотна рекомендуется выполнять Методом конечных элементов. Использование послойной разбивки модели земляного полотна и возможности варьирования объемами инъектирования позволяет оптимизировать схему усиления.

10. Предложенный способ упрочнения грунтов методом напорной инъекции и методики контроля, внедрены при усилении насыпей на 15-ом км перегона Де-дюево - Буреничево и на 88-ом км линии Алтайская - Бийск Западно-Сибирской железной дороги.

11. Выполнена оценка экономической эффективности способа усиления земляного полотна упрочнением грунтов методом напорной инъекции и альтернативным методом - разрядно-импульсной технологией. Рассмотренные проти-водеформационные мероприятия эффективны и срок окупаемости затрат при усилении разработанным способом составил 3,5 года, а при применении способа усиления сваями разрядно-импульсной технологии 5 лет.

Положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах:

1. Ланис А.Л. Применение метода напорной инъекции для усиления насыпей // Путь и путевое хозяйство, 2009. № 2. - С. 33-35.

2. Ланис А.Л., Смолин Ю.П. Определение прочностных характеристик грунтов земляного полотна, упрочненного методом напорной инъекции. // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути. Труды пятой научно-технической конференции с международным участием. М.: МИИТ, 2008. С. 140-143.

3. Патент № 41743. Инъектор для упрочнения и закрепления грунтов/ СГУПС; Авт. М.Я. Крицкий, А.Л. Ланис, В.Ф. Скоркин, В.Б. Воронцов - Заявл. 06.05.2004; Опубл. 10.11.2004 в бюл. № 31.

4. Патент № 2277616. Способ ремонта железнодорожного земляного полотна/ СГУПС; Авт. МЛ. Крицкий, В.Ф. Скоркин, А.Л. Ланис. - Заявл. 19.08.2004; Опубл. 10.06.2006 в бюл. №> 16.

5. Патент № 2288995. Способ контроля качества. / НПК «Совстройтех»; Авт. А.Л. Ланис, МЛ Крицкий, В.Ф. Скоркин - Заявл. 11.01.2005.

6. Ланис А.Л. Упрочнение грунтов основания методом высоконапорной инъекции. // Актуальные проблемы проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и сооружений. Материалы Междунар. науч.-практ. конф. (16-17 сентября 2004 г.)../Пенза, 2004. С.150-153.

7. Ланис А.Л., Пусксв В.И., Крицкий М.Я., Скоркин В.Ф. Упрочнение грунтов методом напорных инъекций. // Буд1вельш конструкцн. М1жвщомчий науко-во-техшчний зб^рник. Випуск 61. Том 2. Кшв: НД1БК, 2004. С. 51-58.

8. Ланис А.Л., Крицкий М.Я., Пусков В.И. Опыт упрочнения высоконапорной инъекцией твердеющего раствора //Вестник СГУПСа. 2005. № 12. С. 95-102.

9. Ланис А.Л., Крицкий М.Я. Геотехническое обоснование упрочнения грунтовых оснований методом высоконапорной инъекции. // Город и геологические опасности. Материалы Междунар. конф. (17-21 апреля 2006 г.). Часть И. СПб., 2006. С. 78-86.

10. Крицкий М.Я., Пусков В.И., Скоркин В.Ф., Ланис А.Л. Лечение болезней земляного полотна с использованием современных технологий// Труды Междунар. науч.-практ. конф. по проблемам механики грунтов, фундаментострое-нию и транспортному строительству. T. И. Пермь: Изд-но ПГТУ, 2004. С. 47-53.

11. Крицкий МЛ., Астахов Н.В., Ланис А.Л. Диагностика состояния высоких насыпей над водопропускными трубами и опыт стабилизации их деформаций // Труды Междунар. геотехнической конференции, посвященной году РФ в РК. Алматы, 2004. С. 294-297.

12. Крицкий М.Я., Ланис А.Л., Сухорукова А.Ф., Колышкин C.B. Причины деформаций зданий и сооружений в Новосибирске И Вестник ИрГТУ. 2005. № 1. С. 20-24.

ЛАНИС АЛЕКСЕЙ ЛЕОНИДОВИЧ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА НАПОРНОЙ ИНЪЕКЦИИ ПРИ УСИЛЕНИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Специальность 05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

Подписано к печати 2 4.0 к. 03, Формат 60x80 1/16 .

Объем 1,5п.л. Заказ m Тираж 80 экз.

Типография МИИТ 127994, ГСП-4, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОПЫТА УПРОЧНЕНИЯ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА.

1.1. Обзор деформаций основной площадки земляного полотна, методов усиления.

1.2. Усиление земляного полотна методом напорной инъекции твердеющего раствора.

1.3. Обоснование выбранного направления работы и задачи исследований.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ УСИЛЕНИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА И ОСНОВАНИЯ МЕТОДОМ НАПОРНОЙ ИНЪЕКЦИИ.

2.1. Методика, способы и приборы, используемые при проведении экспериментальных исследований.

2.2. Исследование характера взаимодействия твердеющего раствора с грунтами, упрочненными напорной инъекцией.

2.3. Исследования технологических параметров и влияния напорной инъекции на изменение механических характеристик грунтового массива

2.3.1. Исследования по определению оптимальной конструкции инъектора.

2.3.2. Экспериментальная проверка существующей методики определения объема инъектируемого раствора.

2.3.3. Разработка методики контролирования изменения характеристик грунтового массива после усиления.

2.3.4. Исследование влияния включений затвердевшего раствора на изменение механических характеристик грунтового массива.

2.4. Определение прочностных характеристик грунтов земляного полотна, усиленного методом напорной инъекции.

2.5. Разработка методики подбора состава инъектируемых растворов.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. РЕКОМЕНДАЦИИ К РАСЧЕТУ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА, УСИЛЕННОГО НАПОРНОЙ ИНЪЕКЦИЕЙ.

3.1. Определение параметров сжимаемости армированного инъектироваиным раствором грунта.

3.2. Метод расчета напряжений в окрестности инъектированного в грунт раствора.

3.3. Определение объема раствора при заданном давлении инъектирования.

3.4. Определение давления инъектирования, при котором происходит поднятие поверхности.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СПОСОБА УСИЛЕНИЯ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА, МЕТОДА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА.

4.1. Методика проектирования усиления земляного полотпа методом напорной инъекции.

4.2. Способ усиления земляного полотна методом напорной инъекции.

4.3. Диагностика и контроль качества упрочнения грунтового массива.

4.4. Исследование и внедрение предложенных методики и способа при усилении земляного полотна.

4.5. Расчет напряженно-деформированного состояния земляного полотна методом конечных элементов.-.

4.6. Оценка экономической эффективности усиления земляного полотна методом напорной инъекции.

Выводы по главе 4.

Разработанная и утвержденная в 2008 г. правительством «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» [1] предполагает повышение эффективности работы ОАО «РЖД» с выходом его работы на показатели мировых лидеров железнодорожного транспорта.

В соответствии с принятой «Стратегией» [1] основной задачей в части развития железнодорожной инфраструктуры является повышение надежности и безопасности её технических средств, и в первую очередь железнодорожного пути. Одновременно с этим планируется повышение интенсивности воздействия на него в связи увеличением среднего веса и длины грузового поезда, роста скоростей грузовых и пассажирских поездов.

Земляное полотно является одним из основных элементов железнодорожного пути - его фундаментом, поэтому решение поставленных задач во многом зависит от его эксплуатационного состояния. Вместе с тем на значительной части Российских железных дорог земляное полотно было построено уже более ста лет назад по техническим нормам, не отвечающим современным нагрузкам и скоростям движения, а поэтому в настоящих условиях требует усиления. Так, в настоящее время по статистическим данным железных дорог, обобщенным Центром ИССО ОАО «РЖД» [2], протяженность дефектного и деформирующегося земляного полотна при современных условиях эксплуатации составляет более 5 тыс. км. Наличие деформаций и дефектов приводит к повышенным расходам на содержание пути, снижает уровень безопасности движения поездов. В 2007 г. в ОАО «РЖД» было принято решение о введении в регламент ремонтных работ изменения с внесением нового вида работ по реконструкции инфраструктуры, которая предусматривает расширение номенклатуры и объемов работ по усилению земляного полотна [3].

Одной из главных причин, вызывающих необходимость усиления земляного полотна при росте интенсивности воздействия, является необеспечение j его несущей способности, которое в первую очередь вызвано дефектами и деформациями основной площадки и уменьшением устойчивости откосных частей насыпей.

Анализ статистических данных по видам деформаций земляного полотна показывает, что около 40 % из них приходится на деформации основной площадки, а сплывы откосов высоких насыпей остаются одной из основных причин, вызывающих перерывы в движении поездов.

Данные деформации связаны во многом с недостаточными прочностными свойствами грунтов, слагающих земляное полотно.

В настоящее время для обеспечения несущей способности и повышения устойчивости земляного полотна широко используются различные способы усиления. Однако многие из них являются дорогостоящими и в силу разных причин не всегда применимы в конкретных инженерно-геологических условиях, особенно из-за технологических сложностей, что сдерживает темпы усиления земляного полотна. В связи с этим существует необходимость в разработке новых способов усиления, среди которых могут найти использование известные и опробованные в фундаментостроении методы, позволяющие эффективно укреплять грунты основания. Данные методы должны быть адаптированы к усилению эксплуатируемого железнодорожного земляного полотна с учетом особенностей его возведения и эксплуатации. Среди таких методов следует выделить инъектирование в массив грунта под высоким давлением вяжущих растворов специально подобранного состава (метод напорной инъекции).

Отличие этого способа усиления грунтов от других инъекционных методов заключается в том, что нагнетание твердеющего раствора осуществляется с разрывом структуры грунта, при этом его распространение происходит по образовавшимся трещинам и слабым прослоям в массиве. В результате происходит образование жесткого каркаса из затвердевшего раствора и уплотнение грунта в местах его обжатия.

Широкое распространение метода напорной инъекции в гражданском строительстве и отсутствие методики проектирования параметров инъектирования при усилении земляного полотна и его основания подтверждают актуальность темы настоящей диссертационной работы.

Цель работы состоит в разработке способа усиления земляного полотна железных дорог для обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Выявлены особенности распространения инъектируемого раствора в грунтах земляного полотна, и найдены оптимальные технологические параметры инъектирования.

2. Экспериментально исследовано изменение свойств грунтового массива при напорной инъекции твердеющего раствора.

3. По результатам теоретических исследований получены решения:

- по определению коэффициента пористости и модуля деформации армированного раствором грунта с учетом включений из затвердевшего раствора;

- по оценке объема инъектируемого раствора и давления инъектирования, при которых происходит выдавливание раствора из зоны упрочнения.

4. Разработан способ усиления земляного полотна железных дорог для обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции, включающий предложения по контролированию изменения характеристик грунтов после упрочнения.

Методика исследования. Для решения поставленных задач выполнены теоретические и экспериментальные исследования, основанные на теории механики грунтов. Полевые эксперименты выполнялись на реальных объектах Западно-Сибирской железной дороги. Для расчета напряженно-деформированного состояния земляного полотна использовался метод конечных элементов, реализованный в программно-вычислительном комплексе «Plaxis». При разработке способа усиления земляного полотна использованы результаты исследований отечественных и зарубежных ученых в области механики грунтов и земляного полотна железных дорог.

Научная новизна работы:

1. Выделены типичные конфигурации затвердевшего раствора (пластины, столбы, массив), образующиеся в результате напорной инъекции в глинистые грунты земляного полотна, и выявлены закономерности их образования в зависимости от технологии инъектирования.

2. Предложен принцип предварительного ослабления структуры грунта и для его осуществления разработана конструкция инъектора.

3. Выявлено, что при упрочнении грунтов земляного полотна напорной инъекцией значение модуля деформации увеличивается в 2 - 10 раз, а значения удельного сцепления соответственно в 3 - 4 раза.

4. Получены теоретические решения по определению критической величины давления инъектирования, при которой происходит выдавливание раствора из зоны упрочнения.

5. Разработан способ усиления основной площадки земляного полотна и откосов насыпей методом напорной инъекции, позволяющий учесть свойства твердеющего раствора и особенности эксплуатируемого земляного полотна железных дорог.

Достоверность и обоснованность результатов исследований, выводов диссертационной работы обеспечивается большим объемом экспериментальных исследований, имеющих детально проработанную методику, основанную на применении современных средств обработки опытных данных; результатами внедрения предложенных решений на объектах железнодорожного транспорта.

Практическое значение и внедрение результатов работы. Практическая значимость диссертационной работы состоит в возможности использования при усилении основной площадки земляного полотна и откосов насыпей железных дорог метода напорной инъекции и методики контролирования качества работ.

Способ усиления земляного полотна для обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции внедрен на объектах ЗападноСибирской железной дороги.

Личный вклад автора состоит:

• в разработке методики и проведении полевых и лабораторных экспериментов, в получении результатов выполненных экспериментальных исследований;

• в< разработке методики проектирования усиления земляного полотна, способа усиления, методики контролирования качества работ, решений по определению параметров грунтов земляного полотна, усиленного методом напорной инъекции;

• в научном обосновании и разработке способа ремонта железнодорожного земляного полотна, способа контроля качества усиления грунтового массива, конструкции инъектора для усиления, защищенных тремя патентами РФ на изобретения и полезную модель в соавторстве с научным консультантом канд. техн. наук, доц. М.Я. Крицким и соавторами, внесшими свой вклад в инженерную часть этих разработок (В.Ф. Скоркин, В.Б. Воронцов).

На защиту выносится:

1. Способ усиления земляного полотна методом напорной инъекции.

2. Результаты экспериментальных исследований распространения твердеющего раствора в грунтовом массиве.

3. Методика проектирования усиления земляного полотна методом напорной инъекции.

4. Методика контролирования изменения характеристик земляного полотна при его усилении методом напорной инъекции.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока - Транссибу» (Россия, Новосибирск, 2002 г.); на Международном геотехническом симпозиуме (Россия, Санкт-Петербург, 2003 г.); на научно-технической конференции «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов» (Россия, Москва, 2003 г.); на Международной конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству (Россия, Пермь, 2004 г.); на Международной геотехнической конференции, посвященной году РФ в РК (Казахстан, Алматы, 2004 г.); на научно-технических конференциях НГАСУ (2002-2004 гг.); на Пятой Всеукраинской научно-технической конференции по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению (Украина, Одесса, 2004 г.); на Международном геотехническом симпозиуме «Природные и техногенные чрезвычайные геотехнические ситуации» (Россия, Иркутск, 2005 г.); на Международном геотехническом симпозиуме «Geotechnical Aspects of Natural and Man-Made Disasters» (Казахстан, Астана, 2005 г.); на Международной конференции «Город и геологические опасности» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.); на Международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); на Пятой научно-технической конференции с международным участием, МГУПС (г. Москва, 2008 г.).

Публикации и изобретения. Основное содержание диссертационной работы представлено в двенадцати работах. В том числе по результатам исследований получены три патента РФ: на способ ремонта железнодорожного земляного полотна, на конструкцию инъектора и на метод определения характеристик грунтов земляного полотна, усиленного напорной инъекцией.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, содержащего 103 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Объем диссертационного исследования - 152 страницы, работа включает 53 рисунка, 18 таблиц и приложение.

Выводы по главе 4

1. Выполненные исследования позволили разработать методику проектирования усиления земляного полотна. Алгоритм методики представлен на рис. 4.1.

2. В зависимости от необходимости осушения основной площадки земляного полотна разработан способ усиления методом напорной инъекции без дренажа и с установкой дренажных труб. При упрочнении и армировании загрязненных балластных шлейфов рекомендуется работы начинать с низовой части откоса.

3. Для диагностики и последующего контроля качества усиления земляного полотна рекомендуется использование геофизических методов: электрометрического и сейсмического. Для контролирования качества усиления земляного полотна с возможностью получения достоверных значений характеристик предложен метод, основанный на использовании динамического зондирования. Для определения значений характеристик (коэффициента пористости, модуля деформации) и сравнения их с соответствующими значениями до проведения работ установлена экспериментально полученная зависимость: А = А0 ехр ( а (Рд- Рдо) )• Значения А0 и Ра0 принимаются равными значениям, полученным в лабораторных условиях при определении коэффициента а.

4. Исследования и внедрение для разработки способа усиления методом напорной инъекции выполнены при усилении железнодорожной насыпи на 15-м км перегона Дедюево-Буреничево и земляного полотна над трубой на 88-м км линии Алтайская-Бийск Западно-Сибирской железной дороги.

5. При разработке проекта усиления расчеты напряженно-деформированного состояния земляного полотна рекомендуется выполнять методом конечных элементов. Использование послойной разбивки модели земляного полотна и возможности варьировать объемами инъектирования позволяет подобрать оптимальную и экономически обоснованную схему усиления.

6. Выполнена оценка экономической эффективности усиления земляного полотна напорной инъекцией и альтернативным методом - разрядно-импульсной технологией. Рассмотренные противодеформационные мероприятия эффективны и окупаются за пять лет, при этом усиление методом напорной инъекции окупается за 3,5 года. Проведение противодеформационных мероприятий методом напорной инъекции дешевле проведения аналогичных мероприятий с использованием свай РИТ в 1,5 раза.

139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Анализ опыта инъектирования твердеющего раствора в насыпные грунты показывает высокое качество их упрочнения. В случае дренирующих грунтов процесс инъектирования сводится к классической пропитке. Исследования в недренирующих грунтах позволили выделить типичные конфигурации затвердевшего раствора, установлены закономерности их образования в зависимости от технологии инъектирования. Наиболее эффективной является конфигурация в виде массива в диаметре около 40 см.

2. При упрочнении грунтов земляного полотна напорной инъекцией снижается их сжимаемость: интегральные значения модуля деформации увеличиваются в 2-10 раз, значения модуля упругости в 1,8-2 раза. Величина остаточных деформаций уменьшилась в 3-5 раз.

3. В результате напорной инъекции интегральные значения удельного сцепления грунта земляного полотна повышаются до 3 раз, изменение значений угла внутреннего трения несущественно. На изменение сцепления грунта оказывает влияние армирование включениями затвердевшего раствора и уплотнение окружающего грунта.

4. В соответствии с зонами влияния определено оптимальное расстояние между инъекторами от 1 до 2 метров. В случае необходимости расстояние между инъекторами может быть увеличено путем их наклонного расположения.

5. Разработана методика подбора состава инъектирования растворов, позволяющая учитывать свойства затвердевшего раствора при проектировании характеристик упрочненного грунта земляного полотна.

6. В результате теоретических исследований:

- получены решения по определению коэффициента пористости и модуля деформации армированного инъектированным раствором грунта с учетом и без учета включений из затвердевшего раствора;

- определена зона влияния инъектирования на окружающие грунты в виде эллипсоида влияния и оценено напряженное состояние в области нагнетания;

- получено решение по определению объема раствора при заданном давлении инъектирования;

- получено решение по определению давления инъектирования, при котором происходит выдавливание раствора из зоны упрочнения.

7. Выполненные исследования позволили разработать способ усиления земляного полотна при деформациях основной площадки и нарушении устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции. При необходимости осушения основной площадки земляного полотна разработанный способ дополняется установкой дренажных труб.

8. Для контролирования качества упрочнения предложен метод, основанный на использовании динамического зондирования. Экспериментально установлена зависимость, позволяющая определять значения коэффициента пористости и модуля деформации грунтов после упрочнения.

9. При разработке проектов усиления расчеты напряженно-деформированного состояния земляного полотна рекомендуется выполнять методом конечных элементов. Использование послойной разбивки модели земляного полотна и возможности варьирования объемами инъектирования позволяет оптимизировать схему усиления.

10. Предложенный способ упрочнения грунтов методом напорной инъекции и методики контроля, внедрены при усилении насыпей на 15-ом км перегона Дедюево - Буреничево и на 88-ом км линии Алтайская - Бийск Западно-Сибирской железной дороги.

11. Выполнена оценка экономической эффективности способа усиления земляного полотна упрочнением грунтов методом напорной инъекции и альтернативным методом — разрядно-импульсной технологией.

Рассмотренные протнводеформацнонные мероприятия эффективны и срок окупаемости затрат при усилении разработанным способом составил 3,5 года, а при применении способа усиления сваями разрядно-импульсной технологии 5 лет.

1. Железнодорожный съезд «Развитие 2030» // Информационно-аналитический сборник. М., 2007.

2. Проблемы из-под рельсов // Гудок. 2007. № 200 (23955). С. 5.

3. Шахунянц Г.М. Земляное полотно железных дорог. Вопросы проектирования и расчета: Учеб. пособие для вузов железнодорожного транспорта. М.: Трансжелдориздат, 1953.

4. Грицык В.И. Возможные деформации земляного полотна: Учебное иллюстрированное пособие для студентов вузов, техникумов и колледжей железнодорожного транспорта. М.: Маршрут, 2003. 64 с.

5. Ашпиз Е.С. Усиление основной площадки земляного полотна // Путь и путевое хозяйство. 2004. № 4. с. 29.

6. Ашпиз Е.С. Усиление основной площадки земляного полотна. // Материалы науч.-техн. конф. с междунар. участием (г. Москва, 22-23 ноября 2005 г.). М.: МГУПС, 2005. С. 109-115.

7. Моченов Г.М., Титов В.П. Дефекты, повреждения и разрушения земляного полотна железных дорог (классификация). М.: Транспорт, 1972. 48 с.

8. Железнодорожный путь / Т.Г. Яковлева, Н.И. Карпущенко, С.И. Клинов, Н.Н. Путря, М.П. Смирнов; Под ред. Т.Г. Яковлевой. 2-е изд., с изм и доп. М.: Транспорт, 2001. 407 с.

9. Инструкция по содержанию земляного полотна железнодорожного пути / МПС России. М.: Транспорт, 1999. 189 с.

10. Полевиченко А.Г. Деформации земляного полотна, меры предупреждения и способы ликвидации. Конспект лекций. Хабаровск: ДВГУПС, 1999. 29 с.

11. Справочник по земляному полотну эксплуатируемых железных дорог/ М.В. Аверочкина, С.С. Бабицкая, С.М. Большаков и др.; Под ред. А.Ф. Подпалого, М.А. Чернышева, В.П. Титова. М.: Транспорт, 1978. 766 с.

12. Ашпиз Е.С., Савин А.Н. Мониторинг состояния высоких насыпей Верховской дистанции пути Московской железной дороги // Материалы третьей науч.-техн. конф. с междунар. участием (г. Москва, 01-02 ноября2006 г.). М.: МГУПС, 2006. с. 76-79.

13. Ашпиз Е.С. К стратегии реконструкции дефектного и деформирующегося земляного полотна с целью обеспечения надежной эксплуатации в условиях повышения осевых и погонных нагрузок // Труды междунар. науч.-практ. конф. М.: МИИТ, 2004. С. 11-10 II-11.

14. Яковлева Т.Г. Обеспечение эксплуатационной надежности насыпей // Обеспечение эксплуатационной надежности земляного полотна железных дорог. СПб., 1991. С. 22-26.

15. Грицык В.И. Противодеформационные конструкции земляного полотна (железных дорог): Учеб. иллюстрированное пособие для студентов вузов, техникумов и колледжей железнодорожного транспорта. М.: Маршрут, 2003.96 с.

16. Технические указания по усилению насыпей с нестабильными балластными шлейфами армогрунтовыми удерживающими сооружениями / МПС РФ. М.: МГУПС. 1992.

17. Стандартные проектные решения и технологии усиления земляного полотна при подготовке полигонов сети для введения скоростного движения пассажирских поездов. Вып. 1. М.: МПС, 1997.

18. Крицкий М.Я., Подольский В.П., Алферов В.И. Нетрадиционные технологии лечения болезней земляного полотна // Научный вестник Воронежского архитектурно-строительного университета. Сер. Дорожно-транспортное строительство. Вып. № 2. 2004. С. 90-97.

19. Крицкий М.Я., Скоркин В.Ф. Современные технологии лечения болезней земляного полотна // Тез. региональной науч.-практ. конф. «Транссиб—2000». Омск, 2000. С. 301-303.

20. Джоунс К.Д. Сооружения из армированного грунта. М.: Стройиздат, 1989. 281 с.

21. Калганов В.Ф., Ковалев И.В. Стабилизация земляного полотна армогрунтовымп конструкциями. СПб.: ПГУПС. 1996. 78 с.

22. Анкерные и армогруптовые конструкции в транспортном строительстве по материалам зарубежной печати // Транспортное строительство. 1985. № 9. С. 54-56.

23. Армирование грунта и области его применения для повышения устойчивости инженерных сооружений и откосов насыпей (автомобильных и железных дорог). Зарубежный опыт // Экспресс-информация. Путь и строительство железных дорог. 1971. № 9. С. 1-9.

24. Конструкции из армированного грунта в транспортном строительстве // Экспресс-информация. Путь и строительство железных дорог. 1982. № 23. С. 10-13.

25. Яковлева Т.Г., Виноградов В.В., Фроловский Ю.К. Способы усиления насыпей армогрунтовыми конструкциями // Путь и путевое хозяйство. 1997. № 1.С. 7-10.

26. Крицкий М.Я., Ткач Х.Б., Сбоев В.М., Скоркин В.Ф., Лубягин А.В., Зайцев А.А. Новая технология глубинного направленного уплотнения грунта железнодорожного полотна // Труды НГАСУ. Вып. 2 (13). Новосибирск: НГАСУ, 2001 С. 112-116.

27. Леонович И.И., Бабаскин Ю.Г., Нетфулов Ш.Х. Глубинное укрепление грунтов в дорожно-строительных и ремонтных работах // Автомобильные дороги. № 6. 1984. С. 19-20.

28. Луцкий С.Я., Долгов Д.В., Лустин АЛО. Глубинное уплотнение слабых оснований с применением интенсивной технологии // Материалы третьей науч.-техн. конф. с между нар. участием (г. Москва, 01-02 ноября 2006 г.). М.: МГУПС. 2006. с. 89-92.

29. Подпрядов Н.А., Кузнецов Н.Н. Применение пневмопробойников при лечении земляного полотна // Методы лечения земляного полотна. Обзорная информация. Путь и путевое хозяйство. М., 1972. С. 23-30.

30. Гаврилов Г.Н., Зайцев А.А. Применение разрядноимпульсной технологии // Железнодорожный транспорт. 1995. № 6. С. 41-46.

31. Адамович А.Н. Закрепление грунтов и противофильтрационная завеса. М.: Энергия, 1980. 320 с.

32. Камбефор А. Инъекция грунтов. Принципы и методы. М.: Энергия, 1971. 336 с.

33. Литвинов И.М. Укрепление и уплотнение просадочных грунтов в жилищном и промышленном строительстве. Киев: Буд1вельник, 1977. 288 с.

34. Воронкевич С.Д. Геолого-минералогические основы инъекционного закрепления пород : Автореф. дис. . д-ра. геол.-минер. Наук. М.: 1976. 32 с.

35. Гончарова JI.B., Баранова В.И. Комплексная цементация дисперсных грунтов, // Инженерная геология сегодня: теория, практика, проблемы: Под ред. Е.М. Сергеева, В.Т. Трофимова. М.: Изд-во МГУ, 1988. С. 282 292.

36. Гончарова JI.B., Баранова В.И. Перспектива развития методов технической мелиорации грунтов в дорожном строительстве // Вестник ТГАСУ. 2001. № 2. С. 66-71.

37. Волоцкий Д.В., Леман С.Г., Егоров И.А. Укрепление сползающего откоса насыпи цементогрунтовыми шпонами. // Материалы VII Всесоюзного совещания по закреплению и уплотнению грунтов. Л.: Энергия, 1971. С. 95 97.

38. Волоцкий Д.В. О надежности химического закрепления грунтов земляного полотна автомобильных дорог // Изв. вузов. Строительство и архитектура. Новосибирск, 1975. С. 152- 157.

39. Осипов В.И., Филимонов С.Д. Уплотнение и армирование слабых грунтов методом «Геокомпозит» // Основания и фундаменты. 2002. № 5. С. 15—21.

40. Осипов В.И. Принципы создания структур геотехногенных массивов // Инж. геология. 1989. № 3. С. 3 16.

41. Мельников Б.Н., Мельников Ю.Б. Проблемы методологии исследования геотехногенных структур / УрО РАН, УГТУ. Екатеринбург, 1998. 304 с.

42. Мельников Б.Н., Иваненко В.И., Осипов В.И., Нестеров А.И. Принципы создания геотехногенных массивов и методов их расчета // Инж. геология. 1986. №5. С. 22-32.

43. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Гостройиздат, 1963. 636 с.

44. Коновалов П.А. Основания и фундаменты реконструируемых зданий. 4-е изд., перераб. и доп. М.: ВНИИНТПИ, 2000. 318 с.

45. Никольская Г.Н. Определение радиуса распространения инъекционных растворов при закреплении несвязных грунтов. // Материалы VI съезда по закреплению грунтов. М.: Изд-во МГУ, 1968. С. 86 88.

46. Ржаницын Б.А. Химическое закрепление грунтов в строительстве. М.: Стройиздат, 1986. 264 с.

47. Ржаницын Б.А. Тампонажные растворы для создания противофиль-трационных завес. // Материалы к пятому совещанию по закреплению и уплотнению грунтов. Новосибирск, 1966. С. 470 474.

48. Сергеев В.И. Инженерно-геологические основы оптимизации инъекионного закрепления грунтов: Автореф. дис. . д-ра. геолю-минер. наук. М.: 1985.32 с.

49. Виттке В. Механика скальных пород: Пер. с нем. М.: Недра, 1990. 439 с.

50. СНиП 2.02.01-83* Основания зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1995. 50 с.

51. Воляник Н.В., Приходченко О.Е., Рево В.И., Романенко Е.Ю. Возможности стабилизации лессовых суглинков методом инъекционной цементации // Изв. Вузов. Строительство. 1999. № 10. С. 111-116.

52. Ганчиц В.В., Пантюхов И.В., Петряев А.В. Цементация стабилизирует // Путь и путевое хозяйство. 1999. № 4. С. 13.

53. Приходченко О.Е., Кулик А.С., Балдук А.И. К расчету массивов, закрепленных инъекционной цементацией // Строительство 98: Материалы междунар, науч.-практич. конф. Тез. докладов. Ростов н/Д: Рост. Гос. Строит. Ун-т, 1998. С. 125- 126.

54. Абрамова Т.Т. Возможность применения метода силикатизации в дорожном строительстве // Вестник ТГАСУ. 2001. №2. С. 56-61.

55. Макаренко Н.А., Субботина Н.Н. Закрепление силикатом натрия насыпных грунтов // Механика земляного полотна и оснований: Межвуз. сб. науч. тр. Днепропетровск: ДИИТ, 1986. С. 72-77.

56. Аббуд М. Геотехническое обоснование стабилизации осадок фундаментов с помощью инъекционного закрепления фунтов: Дис. .канд. техн. наук

57. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный институт. СПб., 2000. 23 с.

58. Ибрагимов М.Н. Закрепление грунтов цементными растворами // Основания и фундаменты. 2005. №2. С. 24-28.

59. Ибрагимов М.Н. Опыт закрепления просадочных лессовых грунтов в Волгодонске // Основания и фундаменты. 2005. № 6. С. 23-27.

60. Зеге С.О., Бройд И.И. Концепции физических основ струйного закрепления грунтов. // Основания и фундаменты. 2004. №2. С. 17-20.

61. Карякин В.Ф., Сергеев С.В. Усиление оснований методом направленного гидроразрыва / Труды междунар. семинара по механике грунтов, фун-даментостроению и транспортным сооружениям. М.: ПГТУ, 2000. С. 284—286.

62. Мацегора А.Г., Осокин А.И., Ермолаев В.А. Инъекционное упрочнение дисперсных грунтов с применением манжетных труб в условиях Санкт-Петербурга // Тр. Междунар. геотехнической конференции, посвященной году РФ вРК. Алматы, 2004. С. 328-331.

63. Грушевой Н.Г. Земляное полотно зарубежных железных дорог. — М.: Трансжелдориздат, 1961. 138 с,

64. Физико-химические методы оздоровления земляного полотна железных дорог. М.: ВЗИИТ, 1968. 149 с.

65. Смоляницкий JI.A. Исследование эффективности стабилизации основной площадки земляного полотна методом цементации инъекцией и подбалластными плитами: Автореф. . дис. канд. техн. наук. Днепропетровск, 1969. 24 с.

66. Иванов П.В. Повышение несущей способности железнодорожного земляного полотна, воспринимающего вибродинамическую нагрузку, искусственным укреплением грунтов основной площадки: Автореф. . дис. канд. техн. наук. СПб., 1999. 24 с.

67. Колос А.Ф. Противодинамическая стабилизация железнодорожного земляного полотна путем цементации грунтов основной площадки: Автореф. . дис. канд. техн. наук. СПб., 2000. 30 с.

68. Крицкий М.Я. Проблемы стабильности старых высоких насыпей: деформации, диагностика, усиление // Вестник СГУПС, Вып. 12, Новосибирск, 2005. С. 86-89.

69. А.с. 953092. Устройство для нагнетания раствора в грунт/ А.П. Хамов -Заявл. 25.11.80 № 3008529/29-33; Опубл. 23.08.82; Бюл. № 31.

70. Богомолов В.А. Метод высоконапорной инъекции связных грунтов при устройстве и усилении оснований и фундаментов: Дис. . канд. техн. наук / ОАО «УралНИИАС». Екатеринбург, 2002. 120 с.

71. Сахаров И.И., Аббуд М. Гидроразрывный метод закрепления оснований эксплуатируемых зданий и сооружений // Геотехника: наука и практика: Сб. науч. тр. СПб.: СПбГАСУ, 2000. С. 72-76.

72. Лушников В.В., Богомолов В.А. Описание процесса образования опоры буронабивпой сваи с уплотненным забоем скважины: Сб. тр. Междунар. семинара по механике грунтов, фундаментостроению и транспортным сооружениям / ПГТУ, М., 2000. С. 191-196.

73. Мохаммад Хелло Муса. Буроинъекцнонное упрочнение оснований зданий и сооружений при реконструкциях: Автореф. . канд. техн. наук. Минск, 1998. 20 с.

74. Патент 2119009. Способ уплотнения грунта / НГАСУ Авт. А.В. Лубягин, B.C. Миронов Заявл. 27.01.97 № 971010054/03.

75. Патент 2124091 Способ стабилизации лессовых просадочных грунтов/ОАО «УралНИИАСцентр»; Авт. В.В. Лушников, А.Я. Эпп, В.А. Богомолов Заявл. 4.02.97 № 97101720; Опубл. 27.12.98; Бюл. № 36.

76. Патент 2015247 Способ уплотнения лессовых грунтов в основании зданий и сооружений / В.И. Осипов, С.Д. Филимонов; Авт. В.И. Осипов, С.Д. Филимонов, Б.Н. Мельников, Е.В. Кайль. Заявл. 27.12.91 № 5019927; Опубл. 30.06.94; Бюл. №12.

77. Патент 2059044 Способ уплотнения связных дисперсных грунтов/ В.И. Осипов, С.Д. Филимонов; Авт. В.И. Осипов, С.Д. Филимонов, Б.Н. Мельников, Е.В. Кайль. Заявл. 27.12.91 № 5024190; Опубл. 27.04.96 Бюл. № 12.

78. Патент 2133795 Способ закрепления грунта/ A.M. Голованов, В.И. Пашков; Авт. A.M. Голованов, В.И. Пашков, В.И. Сергеев. Заявл. 03.12.97 № 97120673/03; Опубл. 27.07.99 Бюл. № 21

79. Патент 2103441 Способ закрепления грунта/ A.M. Голованов, В.И. Пашков; A.M. Голованов, В.И. Пашков, В.И. Сергеев. Заявл. 07.06.96 № 96111630/03; Опубл. 27.01.98 Бюл. №3.

80. Хамов А.П. О применении инъекции глиноцементного раствора для усиления оснований зданий и сооружений // Основания, фундаменты и механика грунтов. 1997. № 3, С. 20-22.

81. Иваненко В.И., Мельников Б.Н., Осипов В.И., Нестеров А.И. К определению физических соотношений при расчетах геотехногенных массивов. Инж. геология. 1987. № 4. С.79-85.

82. Мельников Б.Н., Мельников Ю.Б. Проблемы методологии исследования геотехногенных структур / УрО РАН, УГТУ. Екатеринбург, 1998. 304 с.

83. Мельников Б.Н., Иваненко В.И., Осипов В.И., Нестеров А.И. Принципы создания геотехногенных массивов и методов их расчета // Инж. геология. 1986. №5. С. 22-32.

84. Рейтер Ф., Кленгель К., Пашек Я. Инженерная геология: Пер. с нем. М.: Недра, 1983. 528 с.

85. Коншин Г.Г. Система диагностики земляного полотна // Труды междунар. науч.-практ. конф. М.: МИИТ, 2004. С. И-14 И-17.

86. Коншин Г.Г. Диагностика земляного полотна железных дорог: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007. 200 с.

87. Бочко Э.А., Дубровин B.C. Геофизические методы контроля качества закрепления рыхлых грунтов. М.: Недра, 1976. 85 с.

88. Тригубович Г.М. Импульсная индуктивная электроразведка при исследовании сложно построенных сред: Автореф. дис. . д-ра техн. наук. СПб., 1999. 40 с.

89. Руководство по электроконтактному динамическому зондированию грунтов. М.: Главтранспроект, 1983. 64 с.

90. Методические указания по георадиолокационной диагностике объектов земляного полотна железнодорожного пути / ОАО «РЖД». М., 2005. 56 с.

91. Коншин Г.Г. и др. Методические указания по способам сейсмического контроля эксплуатационного состояния железнодорожного полотна. М., 1985. 46 с.

92. Канарейкин Б.А. и др. Опыт использования сейсмотомографии при изучении строения железнодорожных насыпей // Изв. вузов. Строительство. 1993. № 1. С. 133-139.

93. Патент № 41743 Инъектор для упрочнения и закрепления грунтов / СГУПС; Авт. М.Я. Крицкий, А.Л. Ланис, В.Ф. Скоркин, В.Б. Воронцов Заявл. 06.05.2004; Опубл. 10.11.2004; Бюл. № 31.

94. Патент № 2277616 от 10.06.2006 г. Способ ремонта железнодорожного земляного полотна. / СГУПС; Авт. М.Я. Крицкий, В.Ф. Скоркин, А.Л. Ланис -Заявл. 19.07.2004; Опубл. 10.06.2006; Бюл. № 16.

95. Патент № 2288995 Способ контроля качества упрочнения грунтового массива / СГУПС; Авт. А.Л. Ланис, М.Я. Крицкий, В.Ф. Скоркин, Заявл. 11.01.2005; Опубл. 10.12.2006; Бюл. № 34.