автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Оценка устойчивости и деформативности земляного полотна железных дорог в условиях распространения мерзлоты

На правах рукописи

ВАВРИНЮК Татьяна Сергеевна

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ И ДЕФОРМАТИВНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ В УСЛОВИЯХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

МЕРЗЛОТЫ

05.22.06 — Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 г ДЕК 2013

005543503

Москва-2013

005543503

Работа выполнена в в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ)

Научный руководитель: Ашпиз Евгений Самуилович

доктор технических наук

Официальные оппоненты: Луцкий Святослав Яковлевич

доктор технических наук, профессор, МГУПС (МИИТ), кафедра «Организация, технология и управление строительством», профессор

Орлов Григорий Геннадиевич кандидат технических наук ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства (ОАО ЦНИИС), заведующий центральной лабораторией транспортных коммуникаций и экологии

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС)

Защита состоится «27» декабря 2013 г. в 15.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 218.005.11 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, дом 9 сто 9 ауд. № 1235. '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^ ' ^^ Савин Андрей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Проблема обеспечения надежности земляного полотна на оттаивающем основании является актуальной как при проектировании новой железнодорожной линии, так и для уже существующего земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах (ММГ). Важность этого направления в строительстве заключается в том, что большая часть России расположена на территории распространения ММГ, и такие вопросы, как безопасность движения, расширение сети железных дорог, освоение новых районов в сложных геокриологических условиях являются важной стратегической задачей для государства.

Протяженность железных дорог ОАО «РЖД», проходящих в районах распространения ММГ, составляет свыше 5 тыс. км. Эти участки железных дорог характеризуются повышенной деформативностью земляного полотна. Самым распространенным видом деформаций в этих условиях (до 94% по протяжению) являются осадки пути из-за оттаивания льдистых грунтов в основании. При этом осадки происходят как на вновь построенном земляном полотне, так и на длительно эксплуатируемых линиях. Так, на некоторых участках Северной железной дороги незатухающие деформации наблюдаются и через 50 лет после начала эксплуатации, а на участках Забайкальской — и через 100 лет.

Как показывает анализ, одной из причин возникновения деформаций земляного полотна на льдистых грунтах в условиях распространения ММГ являются неточности в проектировании, вызванные применением расчетных методик, не полностью учитывающих особенности процессов теплового и механического взаимодействия земляного полотна и оттаивающего основания.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методики оценки устойчивости и деформативности земляного полотна новых и длительно эксплуатируемых линий в условиях распространения ММГ и мероприятий по обеспечению необходимой его устойчивости и ограничения деформаций с учетом совместного рассмотрения решения задачи теплового и механического взаимодействия с оттаивающим основанием.

3

Дня достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведение анализа современного состояния проблемы по обеспечению стабильности земляного полотна на оттаивающем основании в условиях распространения ММГ;

2. Разработка новой расчетной модели оттаивающего основания, учитывающей совместное протекание процессов оттаивания и консолидации оттаивающих грунтов, а также определение критерия ее применимости;

3. Проверка адекватности предложенной модели с помощью численного моделирования в различных условиях;

4. Разработка алгоритма оценки устойчивости и деформативности земляного полотна, использующего разработанную расчетную модель оттаивающего основания;

5. Разработка методики совместного проектирования продольного профиля трассы и конструктивных решений земляного полотна новой линии на ММГ, исходя из предложенного алгоритма оценки устойчивости и деформативности земляного полотна;

6. Разработка методики оценки устойчивости и деформативности земляного полотна длительно эксплуатируемых линий на ММГ и проектирования про-тиводеформационных мероприятий (ПДМ).

Методы исследования. Для решения поставленных задач выполнялись теоретические исследования и численное моделирование. Расчетная модель разработана на основе известных теоретических положений теплофизических и консолидационных процессов, происходящих в грунтах. Для разработки методики оценки устойчивости и деформативности земляного полотна выполнено исследование численным моделированием процесса теплового взаимодействия по методу конечных разностей (МКР) с применением программного комплекса «Тепло» (Свидетельство № 940281, РосАПО, 1994) и механического взаимодействия методом конечных элементов (МКЭ) с применением программного комплекса Plaxis (Сертификат соответствия №РОСС NL.ME20.H02482). Научная новизна заключается в следующем: 1. Предложена новая расчетная модель оттаивающего основания, учиты-

4

вающая переменность свойств грунтов в зависимости от скоростей оттаивания и консолидации;

2. Предложен критерий применимости новой модели оттаивающего основания в виде соотношения скоростей оттаивания и консолидации грунтов основания и разработана расчетная методика его определения;

3. Разработан алгоритм оценки устойчивости и деформативности земляного полотна на ММГ для условий строительства и эксплуатации земляного полотна на оттаивающих грунтах, основанный на новой расчетной модели оттаивающего основания и учитывающий фактор времени, который является определяющим;

4. Предложен новый подход к проектированию строящихся железных дорог на ММГ, заключающийся в совместном проектировании продольного профиля трассы и выборе конструктивных решений земляного полотна.

Практическая ценность: Полученные в диссертационной работе результаты исследований позволяют:

- использовать разработанный алгоритм расчетов для проектирования земляного полотна на ММГ, а также для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтов и дальнейшего прогноза деформативности сооружения и разработки предложений по его стабилизации;

- разработать и обосновать экономически эффективные конструкции насыпей и технологии их возведения для нового земляного полотна и противоде-формационные мероприятия для эксплуатируемого.

Реализация и апробация работы: Результаты исследований, новая схема расчетов использованы в практике проектирования и строительства новой линии Обская-Бованенково, при проектировании ПДМ на участках линии Чум-Лабытнанги Северной ж.д. и линии Чита - Сковородино Забайкальской ж.д. Частично разработанная методика была использована при научном сопровождении проектирования линии Томмот-Якутск, и результаты работы включены в «Основные положения по проектированию земляного полотна пускового комплекса Томмот - Кердем

5

железнодорожной линии Беркакит - Якутск». Результаты настоящего исследования выносились на обсуждение на семинары и конференции, в том числе международные. Доклады по работе были представлены на следующих конференциях и семинарах:

1. V научно-техническая конференция «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» с международным участием. Чтения, посвященных памяти Г.М. Шахунянца, МИИТ, ноябрь 2008 г.

2. Vin научно-техническая конференция «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» с международным участием. Чтения, посвященных памяти Г.М. Шахунянца, МИИТ июнь 2011г.

3. IX научно-техническая конференция «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» с международным участием. Чтения, посвященные 108-летию профессора Г.М. Шахунянца, МИИТ, апрель 2012 г.

4. International Conference on Physics Science and Technology (ICPST 2011), Гонконг, 11-13 декабря 2011г.

5. International Conference on Railway Engineering (ICRE 2012), Пекин, 20-21 июля 2012 г.

6. GeoManitoba 2012 - the 65th Canadian Geotechnical Conference, Канада, 2012 г.

7. Международная научно-практическая конференция, посвященная 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе», Новосибирск, СГУПС, ноябрь 2012 г.

8. International Symposium on Design and Practice of Geosynthetic-Reinforced Soil Structures. School of Engineering and Architecture Bologna University, Italy, 14-16 October, 2013.

На защиту выносятся:

- расчетная модель оттаивающего основания и критерий её применимости, учитывающие переменность свойств грунтов в зависимости от скорости оттаивания и консолидации;

- методика расчетной оценки устойчивости и деформативности земляного полотна новых и длительно эксплуатируемых линий на оттаивающих грунтах в условиях распространения ММГ;

- результаты численного моделирования теплового и механического взаи-

модействия земляного полотна и оттаивающего основания;

- методика технико-экономического обоснования принципа сооружения земляного полотна на основе совместного проектирования его конструкций и продольного профиля линии.

Публикации: по материалам диссертации опубликовано 9 статей, 3 из которых входят в перечень ВАК, 4 - в международных издательствах.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка (171 наименование) и 4 приложений и содержит 204 страницы машинописного текста, 65 рисунка, 33 таблицы.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Путь и путевое хозяйство» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) в период обучения в аспирантуре 2008-2009,2012-2013 гг.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цели, задачи и методика исследований, показана научная новизна и практическое значение работы, дается краткий обзор содержания диссертации.

В первой главе выполнен анализ состояния вопроса проектирования земляного полотна в условиях распространения ММГ, а также обзор исследований по проблемам расчетов осадки оснований в условиях распространения ММГ и учету влияния на деформативность консолидации оттаивающих водонасыщенных глинистых грунтов. Исследования в этой области содержатся в работах H.A. Цытовича, Г.М. Шахунянца, A.A. Цернанта, Г.С. Пере-селенкова, Ю.К. Зарецкого, JI.H. Хрусталева, Е.С. Ашпиза, С.Я. Луцкого, П.И. Дыдышко, В.В. Пассека, В.Г. Кудрявцева, С.М. Ждановой, Г.Г. Орлова, JI.T. Роман, В.Г. Григорьевой, A.A. Цернанта, Г.И. Бондаренко, А.Г. Полеви-ченко, В.Г. Кондратьева и др.

Анализ развития осадок насыпей на ММГ показывают, что они происходят не только из-за деградации мерзлоты, но и сопряжены с пластическими деформациями грунтов основания оттаявшей зоны. Эти грунты, как правило, обводняются и под действием поездной нагрузки переходят в пластическое состояние и выдавливаются из-под земляного полотна. Расчеты устойчивости и деформа-тивности земляного полотна на оттаивающем основании в районах распространения ММГ осложняются тем, что в процессе оттаивания изменяются прочностные и деформационные характеристики грунтов. Осадки при оттаивании обусловлены многими факторами, трудно поддающимися количественному определению, к числу которых относятся структура и текстура грунта, набухание частиц фунта, физико-химические процессы, широкий диапазон дисперсности в пределах каждого вида грунта и т.д.

Роман Л.Т. в своих исследованиях делает заключение о том, что расчетные формулы для определения осадок оттаивающих грунтов, основанные на характеристиках их физических свойств, являются приближенными, поэтому они могут быть использованы только для ориентировочных оценок. Следует учитывать, что осадки оттаивания и уплотнения связаны со скоростью оттаивания, формированием посткриогенной текстуры и проявлением процесса ползучести, развивающегося во времени. В связи с этим возникают трудности в принятии модели для расчетов устойчивости и деформативности сооружения и выполнении их общепринятыми инженерными методами.

Для прогноза протекания осадок во времени при оттаивании дисперсных грунтов необходимо учитывать возможность неполной консолидации в процессе оттаивания, с одновременным нагружением, так как для этого вида грунтов скорость уплотнения под действием внешней нагрузки и собственного веса часто меньше скорости оттаивания, что подтверждают лабораторные испытания, проведенные Ю.К. Зарецким, В.Г. Григорьевой и др. При этом в оттаивающих фунтах, где консолидация не произошла, сопротивление их сдвигу меньше, т.к. сцепление (Сот) и сопротивление трению (Г£ рот) при оттаивании фунтов снижается за счет того, что общее давление на фунт от внешней

8

нагрузки воспринимается поровой водой. Таким образом, зона оттаявших грунтов разбивается на два слоя: оттаявший и уже консолидированный слой и оттаивающий неконсолидированный грунт. Однако в существующей нормативной базе расчеты ведутся по предельным состояниям с нахождением конечных стабилизированных осадок, при этом не учитывается скорость оттаивания сооружения и скорость консолидации грунта, его нелинейное деформирование.

Выполненный анализ позволил определить направление научных исследований, необходимых для решения поставленных задач. В результате сделан вывод о необходимости реализации нового подхода к оценке стабильности земляного полотна на оттаивающем основании, при котором определяющим критерием для задания модели расчета должен быть параметр, зависящий от времени.

Методика расчета параметров устойчивости и деформативности земляного полотна должна учитывать скорости оттаивания и консолидации основания, что позволит более корректно проектировать конструктивные решения и технологии при строительстве новых и реконструкции существующих железных дорог, обосновывая при этом наиболее экономичные варианты.

Во второй главе проанализированы результаты экспериментальных исследований изменения свойств оттаивающих грунтов во времени, на основе которых предложена новая модель оттаивающего основания земляного полотна.

Лабораторные эксперименты, проводившиеся в МИИТе на оттаивающих аллювиальных суглинках, характерных для восточной части БАМа, позволили сделать вывод о трех стадиях протекания осадки при оттаивании {рисунок 1). При этом определенные значения коэффициента консолидации суглинков показали, что скорость фильтрационной консолидации в талых фунтах на порядок меньше, чем при оттаивании. Аналогичные данные были получены ранее и в опытах Зарецкого Ю.К. и Григорьевой В.Г. Эти результаты позволяют сделать вывод о существовании при определенных условиях слабого неконсолидированного слоя оттаивающего фунта на контакте между мерзлым и талым фунтом, имеющего минимальные значения прочностных характеристик - сцепления (Сот) и угла

внутреннего трения {(рт) - и необходимости учета этого слоя при расчетах устой-

9

чивости и деформативности земляного полотна

1 стадия стади^ 3 стадия

мсро/шя оораосц І оттакіьамие І

4

6

0

ё

1000

> и/<ЫИ иьии'^Ц

10000

1у I ,мин

Рисунок 1- Осадка оттаивающего суглинка во времени

Подтверждением этого факта являются также лабораторные испытания талых и оттаивающих грунтов, отобранных на участке линии Обская - Бова-ненково, выполненных сотрудниками Научно-исследовательской Мерзлотной лаборатории МИИТа и МГУ (кафедра Геокриологии) в 2012 г. Так, для песка пылеватого было получено, что в талом консолидированном состоянии (рТ - 32 град., Ст= 16 кПа, при том, что в оттаивающем неконсолидированном состоянии <рт = 21,2 град., Сот= 3 кПа. Существенная разница в значениях прочностных характеристик талого и оттаивающего состояния отмечается и для других типов фунта - торфа и суглинка.

Исходя из результатов лабораторных опытов, автором диссертации выдвинута гипотеза о том, что под земляным полотном в процессе оттаивания мерзлых грунтов основания может образоваться слой неконсолидированного оттаивающего грунта с минимальными прочностными и деформационными характеристиками, который может существенно изменить НДС основания и устойчивость сооружения. На основе данной гипотезы разработана трехслойная модель оттаивающего основания (рисунок 2).

С помощью численного моделирования разработана расчетная методика определения соотношения скорости консолидации оттаивающего грунта основания (пконс) к скорости оттаивания грунтов, определенной по результатам теп-

лотехнических расчетов (г)от).

1- талый консолидированный

подвижные I----~—,-----------грунт

границы ' ] ^Й'У Г'2"оттаивающий

и , ; ^. , л I/////////////// неконсолидированный грунт

3-мерзлый грунт

Рисунок 2 - Трехслойная модель оттаивающего основания Время консолидации определяется в зависимости от коэффициентов фильтрации грунтов, полученных в ходе лабораторных испытаний и величины нагрузки от земляного полотна. Если при оттаивании скорость консолидации грунта равна или выше скорости оттаивания (и„г< •иконс), то основание земляного полотна следует задавать 2-х слойной моделью, состоящей из нижнего мерзлого слоя и верхнего талого консолидированного грунта. Это характерно для крупнообломочных и песчаных грунтов, и обусловлено тем, что они при оттаивании характеризуются большим коэффициентом фильтрации; в связи с этим можно считать, что стабилизация осадки происходит мгновенно. Трехслойная модель характерна для пылеватых песков и глинистых грунтов с низкими коэффициентами фильтрации при оттаивании, когда иот> иКОНс-

Таким образом, за критерий образования слоя неконсолидированного грунта (применимости трехслойной модели) в оттаивающем основании предлагается принять соотношение скорости оттаивания к скорости консолидации грунтов. Соотношение (г)от/г>конс) позволяет определить параметры, необходимые для задания модели оттаивающего основания - толщину и время консолидации слабого неконсолидированного слоя - и задать трехслойную модель основания для дальнейших расчетов НДС грунтов.

Для подтверждения выдвинутой гипотезы и правомерности применения разработанной модели были выполнены расчеты для различных климатических условий и конфигураций земляного полотна - линий Обская-

11

Бованенково, Чум-Лабытнанги и Томмот-Якутск. При этом отличием линии Обская-Бованенково является то, что насыпи на ней запроектированы с заложением откосов 1:4, что способствует особому формированию температурного поля в основании и увеличивает ширину нагружаемой части основания от земляного полотна.

В конечно-элементном (КЭ) расчете в работе для оттаивающего основания использовалась модель упрочняющегося грунта, преимущество которой перед моделью Мора-Кулона заключается в нелинейной зависимости деформаций от напряжений, а также возможности изменять жесткости грунта от уровня напряжений. Также было опробовано задание модели ползучего грунта (Soft Soil Creep) на основе имеющихся компрессионных и консолидационных кривых суглинка тяжелого пылеватого (линия Чум-Лабытнанги). Модель Soft Soil Creep, построенная в рамках теории вязкопласгичности грунта, может быть использована для описания поведения слабых грунтов, зависящего от времени с учетом логарифмического первичного и вторичного уплотнения.

Результаты расчетов (рисунок 3-4, таблица 1) показали, что гипотеза о существовании оттаивающего слоя, не успевшего консолидироваться, для определенных условий оправдана. Так, превышение скорости оттаивания над скоростью уплотнения оттаявшего грунта иот> t>KOHC (а > р) получено для насыпей на линиях Чум-Лабытнанги и Обская-Бованенково при расчете конструкций на сильнольдистых грунтах без противодеформационных мероприятий.

Рисунок 3 - Зависимости времени консолидации от мощности оттаявшего слоя для различных условий и конфигураций насыпи

[Скорость максим* л »йог« се»оиногооттаимим под подошвой ~ и «сыпи (Обска*-Боин«нкмм)

i " " i V - 18.0«* - 37.347 *"".........

\ .....I........ L й*. 0,9754

4 - - - график оттаиыния (высота насыпи 3 м) —графин оттаиаання (высот* насыпи 5м)

Время Vt, v'cyT_

iiso-

Сиоросгьтксим*лыюгос«миногаоттаимимпоАОС*юн*сыпи (Чум-Лабмти« игп) график оттаиваиия {высота насыпи 1.5м) ~

- »• график оттаивания

(высота и

— — график о

{высоте и

Время N't. \сут

Скорость максимального сезонного оттаивания под осью насыпи

___________ _ (Том «*от-Я кутск)

-----график оттаивания

Скорость максимального с«»онного оттаивания у подножия откоса 120 - (Ьммот-Ямутск)

1 j ! fj

i у •22,72»-71538 i jf R1 - 0,9519 ! f

' Vj

— график еттаимпи* (высот« меняя 5. См)

Время Vt, %'сут

Рисунок 4 -Графики оттаивания грунтов основания во времени для различных условий и конфигураций насыпей

Таблица 1 - Результаты расчетов параметров vom (а) и vKOHC (ß) для различных условий_

Объект Грунты основания Параметры оттаивания основания (0„ax=W^at, CM/VcyT.) Параметры консолидации основания (ß-tw^w, см/^сут.)

Высота насыпи Высота насыпи

1,5 м Зм 5 м 1,5 м 1 3 м 1 5 м

1.Чум-Лабытнанги (Северная ж. д.) суглинок текучепла-стичный К'ф = 1,79*10"1 и/сут 38,7 33,6 17,98 10,11

под осью насыпи

2,Обская-Бованенково (Северная ж. д.) торф (0,3 м), супесь пластичная(10м), :углинок тугопласгич-шй Кф = 2,32* 10"4 и/сут 11,01 | 17,29 | 18,04 18,66 6,24 5,26

под подошвой откоса насыпи (под осью насыпи и средней частью откосов основание не опаивает)

З.Томмот-Якутск (АЯМ) суглинок текучий (10м) (фунт «ледового комплекса»), песок 22,99 1 17,55 22,72

под осью насыпи под подошвой откоса (под осью оттаивания нет)

Примечание: для линии Томмот-Якутск за неимением консолидационных испытаний параметр р не рассчитан.

В некоторых случаях в основании не возникают условия образования слоя оттаивающего неконсолидированного грунта под осью земляного полотна, однако и в этих случаях под откосной частью насыпи вследствие более ин-

тенсивного оттаивания консолидация грунтов основания в этой части «запаздывает» и, следовательно, для расчетов нужно ввести дополнительный слой оттаивающего неконсолидированного грунта под нижней частью откоса

На основе зависимостей (рисунок 3-4) определяется толщина образовавшегося слоя неконсолидированного грунта и время, необходимое на его упрочнение (консолидацию), после чего можно перейти к численному моделированию устойчивости и оценки деформаций земляного полотна в наихудший расчетный период. Расчеты показали необходимость решения двухмерной задачи для определения скорости оттаивания и консолидации оттаивающего основания по всей ширине поперечного профиля земляного полотна, так как под откосной частью насыпи и под осью сооружения эти параметры могут значительно отличаться. При этом более интенсивная скорость оттаивания грунтов под нижней частью откоса в большинстве случаев больше скорости консолидации, в то время как при более низкой скорости оттаивания под осью насыпи слабого неконсолидированного слоя может и не возникать. Это положение хорошо согласуется с практикой применение боковых берм, что позволяет снизить скорость оттаивания и ускорить консолидацию грунтов нагрузкой, обеспечивая при этом большую устойчивость откосов земляного полотна и предотвращая их «расползание» во время оттаивания.Для оценки результатов расчетов, получаемых по предложенной трехслойной модели, были проведены сравнительные расчеты устойчивости и деформативности насыпи на оттаивающем основании на примере линий Обская - Бованенково и Томмот - Кердем по трем схемам: предложенной и двум стандартным по двухслойным моделям основания, применяемым в настоящее время проектировщиками:

1 схема - двухслойная модель основания насыпи из талого консолидированного грунта и ниже мерзлого грунта;

2 схема - двухслойная модель основания насыпи из оттаявшего неконсолидированного грунта и ниже мерзлого грунта;

3 схема - разработанная Зх-слойная модель оттаивающего основания. Сравнительные расчеты, выполненные для насыпи высотой 7,3 м на ПК

14

3790+50 линии Обская-Бованенково, подтвердили (таблица 2, рисунок 5) различия между получаемыми результатами по устойчивости насыпи и в характере и величине деформирования.

Таблица 2 - Результаты расчетов по трем схемам для модели оттаивающего грунта основания насыпи на примере линии Обская-Бованенково_

Показатель 1 схема 2 схема 3 схема

Коэффициент устойчивости, Куст 2,45 1,13 1,23

Максимальное вертикальное перемещение основания, Чу тах, мм: -по оси насыпи -под откосом 3,0 13.6 19.7 3,2 12,0

Максимальное горизонтальное перемещение основания, их шах, мм 2,3 41,5 19

Аналогичные результаты были получены и для насыпей линии Томмот-Якутск: 3-хслойная модель также дала промежуточные результаты в значениях осадки и коэффициента устойчивости, позволила увидеть неравномерность осадки основания, выявить механизм разрушения насыпи и образование зоны выпора грунта основания вблизи подошвы насыпи, что согласуется с реальным поведением земляного полотна.

На основе выполненных исследований в главе сформулированы основные положения методики оценки устойчивости и деформативности насыпей наММГ: 1 этап. Определение в качестве исходных данных прочностиых характеристик оттаивающих грунтов при быстром и медленном оттаивании и коэффициента консолидации.

2 этап. Проведение теплотехнического расчета. Он позволит отследить динамику промерзания-оттаивания грунтов сооружения и его основания, оценить скорость его оттаивания, прогнозировать деградацию ММГ, оценить величину тепловой осадки и сделать заключение о применимости конструкции при сооружении земляного полотна по принятому принципу.

3 этап. Определение критериев применимости трехслойной модели оттаивающего основания. Для этого необходимо оценить соотношения (Uot/Ukokc)-В случае, когда v0T > г)конс, определить параметры оттаивающего неконсолидированного слоя - его толщину и время полной консолидации.

15

4 этап. Задание модели на основе полученных данных для численных моделирования НДС грунтов, оценки устойчивости и деформируемости сооружения.

.5 этап. Использование полученных результатов расчетов для обоснования выбора принципа проектирования сооружения, конструкций земляного полотна, назначения ПДМ при необходимости стабилизации существующего земляного полотна

Рисунок 5 - Схема деформирования и изополя полных перемещений при моделировании по трем схемам задания оттаивающего грунта основания

В главе также с помощью численного моделирования исследовалась задача влияния размеров зоны талого грунта под насыпью на ее осадку, оценена доля осадки за счет бокового выдавливания грунта от общей величины. Расчеты подтвердили, что чем больше высота насыпи и толщина оттаивающего слоя под насыпью, тем больше доля осадки за счет пластического выдавливания слабого грунта из-под подошвы насыпи.

В третьей главе описан подход к совместному проектированию расположенного на ММГ земляного полотна новых линий и продольного профиля трассы на основе выбора принципа проектирования земляного полотна, исходя из критерия минимизации затрат на его сооружение при условии обеспечения заданных устойчивости и деформативности.

16

При традиционном проектировании новых линий вначале производится выбор трассы и проектирование продольного профиля и далее при фиксированном продольном профиле ведется проектирование конструкций земляного полотна. При сооружении земляного полотна на мерзлоте, как показывают теплотехнические расчеты, в одних и тех же климатических и грунтовых условиях возможность её деградации после строительства определяется рабочими отметками земляного полотна. При деградации мерзлоты на льдистых грунтах, как правило, необходимо на основании расчетов устойчивости и де-формативности предусматривать ПДМ и этом случае стоимость земляного полотна может значительно возрасти относительно типовых решений.

В строительстве на мерзлоте используются два принципа проектирования: сохранение грунтов основания земляного полотна в мерзлом состоянии на весь период эксплуатации (I принцип) или допущение оттаивания ММГ в основании (II принцип). Выбор принципа проектирования земляного полотна осуществляется на основе технико-экономического анализа.

Фиксированное положение рабочих отметок земляного полотна, определенное продольным профилем трассы, позволяет минимизировать затраты для отдельных сечений земляного полотна, но существенно ограничивает поиск вариантов минимизации затрат на сооружение земляного полотна для участка трассы.

Поиск экономичных решений по сооружению земляного полотна в условиях льдистых грунтов на мерзлоте предлагается проводить при совместном итерационном проектировании продольного профиля и конструкции земляного полотна для участков трассы длиной 5-10 км. Алгоритм такого проектирования представлен на рисунке 6. Задача одновременного учета распределения земляных масс (дальность возки, машины и механизмы) при оценке стоимости не ставилась.

Предлагаемый алгоритм был апробирован на примере участка линии Томмот-Якутск (ПК 7200+00 - ПК 7250+00) общей протяженностью 5 км. В качестве альтернативных вариантов были рассмотрены конструкции с применением теплоизолирующих прослоек из пенополистирола и торфа, камен-

17

ной наброски, сезоннодействующих охлаждающих установок (СОУ), геосинтетических материалов.

Рисунок 6 - Алгоритм совместного проектирования расположенного на ММГ земляного полотна новых линий и продольного профиля трассы

После анализа инженерно-геокриологических условий района прохождения трассы было принято 3 типа основания в зависимости от категории просадочности подстилающих грунтов, разработано 7 типов поперечных профилей, обоснованных теплотехническими и деформационными расчетами с оценкой стоимости сооружения земляного полотна.В основе метода оценки лежало использование так называемых «шкал стоимостей», в которых отражалась зависимость затрат на сооружение земляного полотна от его высоты. На рассмотренном участке было составлено 3 варианта положения проектной линии. В качестве 1 варианта был принят продольный профиль, разработанный институтом «Проекттрансстрой». При составлении 2 варианта была предпринята попытка уменьшить количество выемок или вообще избежать их, если это позволяют нормы проектирования (уклоны, их разность, минимальная длина элементов). Это было сделано по причине большой стоимости выемок из-за необходимости применения дорогостоящих конструктивных решений для предотвращения деформаций. В качестве 3 варианта выбиралось промежуточное положение проектной линии между 1 и 2 вариантами {рисунок 7). В результате оценки стоимостей составленных вариантов (в ценах I квартала 2007 г.)

18

было получено, что наименьшую стоимость имеет 3 вариант - 149,260 млн. руб. 2 вариант оказался самым дорогим, так как при поднятии проектной линии для уменьшения количества выемок резко увеличился объем насыпей, за счет этого стоимость возросла и составила 176,513 млн. руб. Стоимость исходного 1 варианта составила 159,068 млн. руб.

ау» ...... * ............ ........"""7"—гт ' ---------------------*г- -................ —__________________________________________________________________________

1 вариант 0159,07 млн руб ! І : ]

Рисунок 7- Варьирование положением продольного профиля трассы

Таким образом, при помощи разработанного метода удалось сократить стоимость материалов для возведения земляного полотна примерно на 10 млн. руб. для участка длиной 5 км.

В четвертой главе рассмотрены примеры расчетов устойчивости и де-формативности эксплуатируемых насыпей на оттаивающем основании.

В случае реконструкции существующей линии с целью стабилизации земляного полотна также можно учитывать два альтернативных варианта решения проблемы - восстановить мерзлое состояние грунтового основания или допустить дальнейшее его оттаивание, предусмотрев ПДМ. Проведены разработка и расчетное обосновании конструктивных решений земляного полотна на участках Забайкальской и Северной ж.д. и линии Обская-Бованенково. Задача разработки ПДМ для каждого объекта решалась на основе теплотехнических и деформационных расчетов, в ходе которых устанавливались причины дефор-

19

маций земляного полотна, прогнозировалась динамика промерзания - оттаивания грунтов в основании на ближайшие 30-50 лет, а затем оценивалась эффективность предлагаемых конструкций.

Так, для участков 23-24 км, 30км и 55 км - 69 км линии Чум - Лабыт-нанги Северной ж.д., моделирование динамики промерзания-оттаивания грунтов в основании земляного полотна на перспективу 30 лет показало, что основной причиной деформаций насыпей будет являться выдавливание грунтов деятельного слоя основания. Теплотехнические расчеты подтвердили, что для предотвращения деформаций на данном участке, возникающих при деградации мерзлоты и попеременном сезонном промерзании-оттаивании грунтов основания, могут быть применены парожидкостные СОУ в комплексе с бермами. При этом для предотвращения сезонного промерзания-оттаивания грунтов основания для низких насыпей дополнительно должен быть уложено покрытие из пенополистирола. Шаг расстановки СОУ назначается в соответствии с теплотехническим расчетом. Пример температурных полей для одного из сечений приведен на рисунке 8.

. кол, на V в- в.вв а. Тншап« . попа па ТШ^ V в- И.вв ч

Рисунок 8- Прогнозирование температурных полей на ПК 230+40 линии Чум-Лабытнанги на 5-тый год: без ПДМ (слева) и с применением СОУ

(справа)

Теплотехнические расчеты, проведенные для деформирующегося участка Туринская - Карымская Забайкальской железной дороги (6278 км) подтвердили то, что на этом участке деградация мерзлого грунта в основании земляного полотна будет продолжаться, но величина тепловых осадок из-за глубокого протаивания незначительна. Восстановить мерзлое состояние грунтов осно-

вания с помощью СОУ уже не представляется возможным. Основная доля деформаций также приходится на деформации верхней оттаявшей зоны основания. Проведенные расчеты НДС земляного полотна и его основания с использованием численных методов показали необходимость в укреплении верхней зоны основания земляного полотна. В качестве усиления земляного полотна предложено упрочнение основания цементированием с использованием струйных технологий (Jet-grouting) {рисунок 9), заключающихся в использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивании грунта с раствором в режиме перемешивания на месте. После твердения раствора образуется новый материал — грунтобетон, обладающий высокими прочностными и другими деформационными характеристиками. При этом упрочненный слой грунта основания представляет собой сплошную упрочненную цементированием плиту.

Рисунок 9 - Расчетное обоснование протиеодеформационных

мероприятий на участке Туринская - Карымская Забайкальской ж. д.

Прогноз теплового и механического взаимодействия земляного полотна с ММГ в основании выполнялся при разработке рекомендаций по стабилизации земляного полотна на участках геомониторинга на участке км 366 - км 525 линии Обская — Бованенково (рисунокЮ).Моделирование НДС грунтов насыпи и основания привязано к выполненным теплотехническим расчетам, с учетом прогнозируемого потепления климата в районе, тренд которого отмечается в течение последнего десятилетия. Расчеты позволили выявить возможный характер деформирования насыпей, выполнить расчет устойчивости.Расчеты показали, что в основании насыпи горизонтальные смещения в некоторых сечениях преобладают над вертикальными - откос «расползается». Наиболее устойчивыми и менее деформативными оказались конструкции насыпей с уложенными под балласт слоями георешетки и в обоймах из

геотекстиля, при условии, что грунт в обоймах должен сохраняться в мерзлом состоянии.

Рисунок 10 - Моделирование теплового и механического взаимодействия земляного полотна с ММГ на участках геомониторинга линии Обская - Бо-

ваненково

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Анализ современного состояния проблемы обеспечения стабильности земляного полотна на оттаивающем основании в условиях распространения ММГ выявил необходимость совершенствования существующих расчетных методик. Был показан сложный механизм взаимодействия земляного полотна с ММГ, в котором участвует большое количество факторов, влияющих на деформации грунтов оттаивающего основания, что обуславливает большие трудности в оценке и прогнозировании устойчивости и деформативности сооружений традиционными расчетными методами.

2. Предложена новая модель оттаивающего основания с учетом его специфики для расчетов устойчивости и деформативности земляного полотна на основе экспериментальных исследований оттаивающих грунтов. Определен критерий ее применимости, как соотношение скорости оттаивания грунта к скорости его консолидации (г>от/г)конс).

3. Результаты расчетов для различных условий с использованием современных методов численного моделирования (МКР, МКЭ) подтвердили, что выдвинутая автором гипотеза о существовании в основании оттаивающего слоя, не успевшего

22

консолидироваться, для определенных условий оправдана. Получены парамефы оттаивания ата=кот/<1от (смЧсут) и консолидации р=К^конс (смНсут) насыпей различных конфигураций для условий ж.д. линий Обская-Бованенково, Чум-Лабытнанги, Томмот-Якутск.

4. Разработанная методика оценки устойчивости и деформативносги земляного полотна на оттаивающих ММГ включает теплотехнические расчеты и расчеты НДС, позволяя получать достоверный прогноз деформаций земляного полотна на оттаивающем основании. Результаты моделирования доказали необходимость решения двухмерной задачи для определения скорости оттаивания и консолидации оттаивающего основания по всей ширине поперечного профиля земляного полотна (двухмерная постановка), так как под откосной частью насыпи и под осью сооружения эти параметры могут значительно отли-

чаться.

5. Разработанная расчетная методика опробована при проектировании и разработке противодеформационных мероприятий на объектах линий Обская-Бованенково, Чум-Лабытнанги, Томмот-Якутск и на участках Забайкальской ж.д.

6. Предложенный подход к проектированию земляного полоша на ММГ строящихся железных дорог на основе совместного проектирования продольного профиля трассы и выборе конструктивных решений земляного полотна, опробованный на участке линии Томмот-Якутск, позволил сократить стоимость сооружения земляного полотна на участке длиной 5 км на 10 млн. руб. (в ценах I квартала 2007 г).

Публикации по материалам диссертации:

1.Статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК России

1. Вавринюк, Т.С. Разработка конструкций земляного полотна и продольного профиля линии [Текст] / Т.С. Вавринюк // Путь и путевое хозяйство. - 2010. - №2. -С. 27-28.

2. Ашпиз, Е.С. Расчеты деформативности насыпей на слабом оттаивающем основании в районах распространения многолетнемерзлых грунтов [Текст] / ЕС Ашпиз, Т.С. Вавринюк // Мир транспорта. - 2012. - Т.41. - №3. - С. 102-107.

3. Вавринюк, Т.С. Оценка состояния насыпей численными методами [Текст] / Т.С. Вавринюк // Путь и путевое хозяйство. - 2013. - №5. - С. 23-26.

2. Статьи в других изданиях

1 Ashpiz E.S., Vavrinuk T.S. The Design Of The Longitudinal Cross-Section of Railroad Line Together With The Development Of The Constructions Of Subgrade In The Conditions Of Permafrost (based on the example of railroad line Tommot- Yakutsk)// Труды VIII международного симпозиума по проблемам инженерного мерзлотоведения. - г. Сиань (Китай), 14-17 октября 2009 г.

2. Вавринюк, Т.С. Расчеты напряженно-деформированного состояния в отгаива-

23

кэшем основании с использованием консолидационной модели деформирования [Текст] / Т.С. Вавринюк // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна железных дорог: Труды VIII научно-технической конференции, посвященные памяти Г.М. Шахунянца. / МИИТ. -Москва, 2011г. - С. 126 - 130.

3. Ashpiz E.S., Khrustalev L.N., Vavrinuk T.S. Accounting for breach of natural heat exchange in the design of railway in permafrost soil. 2011 International Conference on Physics Science and Technology (ICPST 2011), Hong Kong, 2011. Published by Elsevier Ltd. Selection.

4. Вавринюк, Т.С. Расчеты деформативности насыпей на слабом оттаивающем основании при I и II принципе их возведения на многолетнемерзлых грунтах [Текст] / Т.С. Вавринюк // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна железных дорог: Труды IX научно-технической конференции, посвященные памяти Г.М. Шахунянца. / МИИТ. - Москва, 2Q12r. -С. 154-158.

5. Ashpiz E.S., Vavrinuk T.S. Assessment of embankments stability in view of consolidation processes in foundation soil in permafrost areas. The 2nd Int. Conf. on Railway Eng. New Technology of Railway Eng. Published by China Railway Publishing House, Beijing, 2012 E.S.

6. Ashpiz E.S., Vavrinyuk T.S. Stability of road embankments during thawing of soil base, taking into account the consolidation of soils. Published by: GeoManitoba 2012 Organizing Committee. Canada, 2012. - Paper№202.

ВАВРИНЮК ТАТЬЯНА СЕРГЕЕВНА

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ И ДЕФОРМАТИВНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ В УСЛОВИЯХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

МЕРЗЛОТЫ

05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати З.С, ¡1,13, Формат 60x84 1/16

Заказ № £ С {Г Объем 1,5 п.л. Тираж 80 экз.

127994, Россия, г. Москва ул. Образцова, 9, стр. 9 УПЦ ГИ МИИТ

24

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

МГУПС (МИИТ)

На правах рукописи

Вавринюк Татьяна Сергеевна

Оценка устойчивости и деформативности земляного полотна железных дорог в условиях распространения мерзлоты

05.22.06 — Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук Ашпиз Е.С.

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................. 5

Глава 1 Анализ существующих исследований по оценке устойчивости и деформативности земляного полотна в условиях распространения мерзлоты

1.1 Состояние земляного полотна, сооруженного в условиях

9

распространения мерзлоты..............................................................

1.2 Нестабильность механических свойств грунтов в процессе оттаивания.................................................................................. ^

1.3 Современные методы расчета устойчивости и деформативности земляного полотна на оттаивающих грунтах

1.3.1 Расчеты осадки земляного полотна на оттаивающих основаниях в

23

условиях мерзлоты.......................................................................

1.3.2 Теоретический прогноз осадок оттаивающего грунта во времени... 26

1.3.3 Расчеты устойчивости земляного полотна на оттаивающем

32

основании в условиях мерзлоты.......................................................

1.4 Традиционные подходы к проектированию и строительству

35

железнодорожного земляного полотна на оттаивающих грунтах................

Глава 2 Теоретические исследования по разработке модели оттаивающего основания с установлением критериев ее применимости

2.1 Разработка модели деформирования основания земляного полотна при его оттаивании

2.1.1 Экспериментальные исследования процесса оттаивания мерзлых

43

грунтов......................................................................................

2.1.2 Разработка модели оттаивающего основания земляного полотна и

52

определение критериев ее применимости...........................................

2.2 Численное моделирование температурного режима и напряженно-деформированного состояния земляного полотна при оттаивании основания

2.2.1 Методика определения соотношения скорости оттаивания к скорости консолидации.......................................................................... ^

2.2.2 Численное моделирование температурного режима земляного полотна и его основания для определения показателя скорости

57

оттаивания(а)...............................................................................

2.2.3 Определение показателя скорости консолидации (Р)................. 67

2.2.4 Моделирование напряженно-деформированного состояния

земляного полотна при оттаивании основания..................................... 71

2.3 Основные положения методики по оценке устойчивости и деформативности насыпей на оттаивающих грунтах с учетом их

ЯП

консолидации............................................................................. ои

2.4 Исследование вопроса формирования зон пластических сдвигов

83

оттаивающего грунта с помощью численного моделирования................

2.5 Выводы по главе..................................................................... 85

Глава 3 Теоретические исследования по разработке методики оценки устойчивости и деформативности земляного полотна железных дорог на мерзлоте при новом строительстве

3.1 Выбор принципа сооружения земляного полотна в условиях

87

мерзлоты.....................................................................................

3.2 Разработка альтернативных вариантов конструкций земляного полотна на мерзлоте для условий линии Томмот - Кердем

3.2.1 Анализ климатических и инженерно-геокриологических условий

91

участка строящейся линии..............................................................

3.2.2 Выделение характерных групповых профилей на участке

92

проектирования...........................................................................

3.2.3 Расчет теплового взаимодействия земляного полотна с

94

многолетнемерзлыми грунтами основания...........................................

3.2.4 Разработка вариантов противодеформационных мероприятий, их расчетное обоснование................................................................... ^

3.2.5 Технико-экономическое сравнение альтернативных вариантов и разработка групповых решений конструкций земляного полотна.............. * ^

3.3 Проектирование продольного профиля трассы железной дороги с учетом разработки групповых решений для земляного полотна

3.3.1 Общая схема решения задачи выбора положения проектной

107

линии по оценке стоимости земляного полотна.....................................

3.3.2 Оптимизация положения проектной линии на участке

ПК 7200+00 - ПК725 0+00 линии Томмот-Кердем.................................. 108

3.4 Применение методики оценки устойчивости и деформативности земляного полотна при разработке рекомендаций по термостабилизации грунтов на участке км 366 - км 525 «Новой ж/д линии Обская-Бованенково»

3.4.1 Математическое моделирование теплового взаимодействия земляного

полотна с вечномерзлыми грунтами основания.................................... 111

3.4.2 Моделирование напряженно-деформированного состояния земляного полотна...................................................................................... 118

3.5 Выводы по главе...................................................................... 125

Глава 4 Методика оценки устойчивости и деформативности эксплуатируемых насыпей на оттаивающем основании и разработка противодеформационных мероприятий

4.1 Основные положения методики оценки устойчивости и деформативности

197

эксплуатируемых насыпей на оттаивающем основании..............................

4.2 Практическое применение разработанной методики для эксплуатируемых железных дорог в различных условиях

4.2.1 Разработка рекомендаций по противодеформационным мероприятиям для деформирующихся насыпей линии Чум - Лабытнанги

128

Северной ж.д.............................................................................

4.2.2 Разработка и расчетное обоснование конструктивных решений по реконструкции земляного полотна на участке линии Туринская -Карымская Забайкальской ж.д....................................................... ^^

4.3 Разработка противодеформационных мероприятий с использованием

154

результатов выполненных исследовании..........................................

4.4. Выводы по главе................................................................... 157

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................... 159

Список литературы...................................................................... 161

Приложение А Исходные данные для численного моделирования

17Я

теплового взаимодействия насыпи с грунтами основания........................

Приложение Б Результаты расчетов, моделирующих тепловое взаимодействие земляного полотна с естественным грунтом основания во

времени для разных климатических условий и конфигураций насыпей....... ^^

Приложение В Варианты конструкций насыпей с противодеформационными

1 97

мероприятиями для участка Кирим-Кердем Амуро-Якутской магистрали. Приложение Г Расчет стоимости вариантов продольного профиля участка линии Томмот-Кердем (ПК 7200+00 - ПК 7250+00)............................... 202

ВВЕДЕНИЕ

Проблема обеспечения надежности земляного полотна на оттаивающем основании, является актуальной как при проектировании новой железнодорожной линии, так и для уже существующего земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах (ММГ). Важность этого направления в строительстве заключается в том, что большая часть России расположена на территории распространения ММГ, и такие вопросы, как безопасность движения, расширение сети железных дорог, освоение новых районов в сложных геокриологических условиях являются важной стратегической задачей государства.

Как показывает анализ, одной из причин возникновения деформаций земляного полотна на льдистых грунтах в условиях распространения ММГ являются неточности в проектировании, вызванные применением расчетных методик, не полностью учитывающих особенности процессов теплового и механического взаимодействия земляного полотна и оттаивающего основания.

Для снижения количества и протяженности деформаций необходимо решение, прежде всего, следующей задачи - достоверной оценки длительной устойчивости и деформативности земляного полотна при новом строительстве, а также при реконструкции существующего земляного полотна с целью его стабилизации. При этом внутри расчетной методики должен быть заложен такой расчетный аппарат, который позволит с помощью современных возможностей численного моделирования выполнять следующие расчеты:

1- прогнозирование динамики формирования температурных полей в основании сооружения на весь срок его службы;

2- моделирование напряженно-деформированного состояния грунтов с целью оценки устойчивости и деформативности сооружения, учитывая консолидационные процессы, происходящие в оттаивающем основании.

Этот расчетный аппарат в свою очередь позволит решить важные задачи определения причины (тепловая, пластическая, комбинированная) деформаций, их местоположения и интенсивности протекания для назначения противодеформационных мероприятий с целью стабилизации существующего земляного полотна; обоснования выбора принципа проектирования и назначения конструктивных параметров при новом строительстве -

- на основе прогноза развития деформаций по величине и времени на длительный срок.

Теплофизические расчеты для определения глубины оттаивания основания, описанные в нормативной литературе, базируются на использовании обобщенных карт с изолиниями и номограмм, что может дать в результате лишь приближенное решение задачи. Имеется необходимость в усовершенствовании методов проектирования и расчетов земляного полотна в сложных геокриологических условиях, основанной на многолетних наблюдениях за поведением земляного полотна на оттаивающем основании, применении современных численных методов расчета.

Актуальность работы заключается в дополнении существующих методов оценки общей стабильности насыпей на оттаивающих грунтах, включающей расчеты длительной устойчивости и деформативности сооружения с использованием численных методов расчета, позволяющих учитывать специфические свойства данного типа основания; а также в усовершенствовании методики выбора принципа проектирования земляного полотна на ММГ.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методики оценки устойчивости и деформативности земляного полотна новых и длительно эксплуатируемых линий в условиях распространения ММГ и мероприятий по обеспечению необходимой его прочности и устойчивости с учетом совместного рассмотрения решения задачи теплового и механического взаимодействия с оттаивающим основанием.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведение анализа современного состояния проблемы по обеспечению стабильности земляного полотна на оттаивающем основании в условиях распространения ММГ;

2. Разработка новой расчетной модели оттаивающего основания, учитывающей совместное протекание процессов оттаивания и консолидации оттаивающих грунтов, а также определение критерия ее применимости;

3. Проверка адекватности предложенной модели с помощью численного моделирования в различных условиях;

4. Разработка алгоритма оценки устойчивости и деформативности земляного полотна, использующего разработанную расчетную модель оттаивающего основания;

5. Разработка методики совместного проектирования продольного профиля трассы и конструктивных решений земляного полотна новой линии на ММГ, исходя из предложенного алгоритма оценки устойчивости и деформативности земляного полотна;

6. Разработка методики оценки устойчивости и деформативности земляного полотна длительно эксплуатируемых линий на ММГ и проектирования противодеформационных мероприятий (ПДМ).

Для решения поставленных задач выполнялись теоретические исследования и численное моделирование. Расчетная модель разработана на основе известных теоретических положений теплофизических и консолидационных процессов, происходящих в грунтах. Для разработки методики оценки устойчивости и деформативности земляного полотна выполнено исследование численным моделированием процесса теплового взаимодействия по методу конечных разностей (МКР) с применением программного комплекса «Тепло» (Свидетельство № 940281. РосАПО, 1994) и механического взаимодействия методом конечных элементов (МКЭ) с применением программного комплекса Р1ах1з (Сертификат соответствия №РОСС Ж>.МЕ20.Н02482).

Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложена новая расчетная модель оттаивающего основания, учитывающая переменность свойств грунтов в зависимости от скоростей оттаивания и консолидации.

2. Предложен критерий применимости новой модели оттаивающего основания в виде соотношения скоростей оттаивания и консолидации грунтов основания и разработана расчетная методика его определения;

3. Разработан алгоритм оценки устойчивости и деформативности земляного полотна на ММГ для условий строительства и эксплуатации земляного полотна на оттаивающих грунтах, основанный на новой расчетной модели оттаивающего основания и учитывающий фактор времени, который является определяющим.

Полученные в диссертационной работе результаты исследований позволяют:

- использовать разработанный алгоритм расчетов для проектирования земляного полотна на ММГ, а также для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтов и дальнейшего прогноза деформативности сооружения и разработки предложений по его стабилизации;

- разработать и обосновать экономически эффективные конструкции насыпей и технологии их возведения для нового земляного полотна и противодеформационные мероприятия для эксплуатируемого.

Результаты исследований, новая схема расчетов использованы в практике проектирования и строительства новой линии Обская-Бованенково, при проектировании ПДМ на участках линии Чум-Лабытнанги Северной ж.д. и линии Чита - Сковородино Забайкальской ж.д. Частично разработанная методика была использована при научном сопровождении проектирования линии Томмот-Якутск, и результаты работы включены в «Основные положения по проектированию земляного полотна пускового комплекса Томмот - Кердем железнодорожной линии Беркакит - Якутск».

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОЦЕНКЕ УСТОЙЧИВОСТИ И ДЕФОРМАТИВНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В УСЛОВИЯХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ МЕРЗЛОТЫ

1.1 Состояние земляного полотна, сооруженного в условиях распространения мерзлоты

На сегодняшний день протяженность проходящих в районах многолетнемерзлых грунтов железных дорог ОАО «РЖД» составляет около 5,3 тыс. км, которые характеризуются повышенной деформативностью земляного полотна. На участках с залеганием вечномерзлых грунтов расположены Северная, Свердловская, Восточно-Сибирская, Забайкальская и Дальневосточная железные дороги, и почти на 15% из них железнодорожный путь испытывает криогенные деформации, вследствие чего скорость движения поездов ограничена до 25-60 км/час. Самым распространенным видом деформаций являются осадки пути из-за протаивания льдистых грунтов основания (до 94% от общего протяжения деформирующегося земляного полотна). Как следует из [163], в 2011 г. криогенные осадки земляного полотна наблюдались на 1917 объектах Дальневосточной и Восточно-Сибирской дорогах в зоне БАМа общим протяжением 743,9 км, из которых на 27,9 км была ограничена скорость движения поездов. На участке от Тынды до Нового Ургала длиной около 950 км по данным службы пути Дальневосточной ж.д. в 2001 г. протяженность мест с осадками земляного полотна составляла 219,9 км, а в 2004 г. действовало 52 длительных ограничения скорости движения поездов из-за осадок земляного полотна на суммарном протяжении 325,4 км, что составляет 34,2% от всей длины участка (таблица 1.1). В 2007 г., несмотря на постоянное проведение работ по исправлению пути на этом участке, на 192,4 км (20,6% протяженности участка) продолжались криогенные деформации [69].

В 2004 г. на Участке БАМ от Хани до Комсомольск-на-Амуре общей длиной 2674 км зафиксировано 2045 мест с дефектами и неисправностями земляного

полотна суммарной протяженностью 780,8 км (29,2% от эксплуатационной длины участка). При этом осадки земляного полотна составили 93% от всех деформаций.

Таблица 1.1- Данные об осадках на линии Тында-Новый Ургал

Показатель на на на на

01.01.1990 г. 01.01.2000 г. 01.01.2001 г. 01.01.2004 г.

Протяжение, км 953

Количество мест с осадками, шт. 586 268 - -

Протяжение мест с осадками, км (% от общего протяжения) 321,8 (33,8) 198,2 (20,8) 219,9 (23,07) 325,4 (34,14)

Количество постоянных предупреждений об ограничении скорости: Всего в т.ч. до 25 км/час -до 40 км/час -до 50 км/час - 48 6 39 3 22 5 14 3 - 52

Количество деформаций земляного полотна дорог на вечномерзлых грунтах, связанных с деградацией мерзлоты в основании, постоянно увеличивается. Аналогичные проблемы имеются и на других участках БАМ, на Забайкальской ж.д., Амуро-Якутской магистрали, подъездных ж.д. путях Чара-Чина, Улак-Эльга.

На центральном участке БАМа Наледный - Хани (протяженностью земляного полотна 2