автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Применение мелких и пылеватых песков в противопучинных и защитных слоях земляного полотна

СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

ТЮТРИН Владимир Анатольевич

УДК 625.12

ПРИМЕНЕНИЕ МЕЛКИХ И ПЫЛЕВАТЫХ ПЕСКОВ В ПРОТИВОПУЧИННЫХ И ЗАЩИТНЫХ СЛОЯХ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

Специальность 05.22.06 — Железнодорожный путь

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Новосибирск 1994

Работа выполнена в Сибирской государственной академии путей сообщения.

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор Карпущенко Н.И.

Консультант Кандидат технических наук, доцент Бредюк Г.П.

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор Исаенко Э.П. Кандидат технических наук, доцент Копейкин В.П.

на заседании специализированного совета К-114.02.02. Сибирской государственной академии путей сообщения по адресу: 630023, Новосибирск, уд. Дуси Ковальчук, 191.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " с1994 г.

Ведущее предприятие: Сибгипротранс

Защита состоится

Ученый секретарь специализированного совета

ДРЦент В. А. ГРИЩЕНКО

- 1 -

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Использование природных богатств районов Западной Сибири с суровым климатом, связанное с расширением зон добычи нефти и газа, развитием перерабатывающих предприятий, невозможно без железнодорожного транспорта. Однако строительство и эксплуатация железнодорожных линий в этих районах имеет свою специфику, которая наиболее явно отражается на земляном полотне, вызывая его деформации, особенно мерзлотные (пучины, весенние просадки пути и другие).

Эти деформации вызывают необходимость ограничивать скорость движения поездов, что приводит к снижению пропускной способности железных дорог, увеличению эксплуатационных расходов. Ликвидация деформаций в условиях движения поездов весьма сложна и трудоемка.

Действующие в настоящее время нормы СН 449-72 предусматривают для предотвращения пучинных деформаций пути в случае использования влажных глинистых грунтов в насыпях устраивать подушки из дренирующих грунтов, а в выемках производить замену их дренирующим, причем коэффициент фильтрации дренирующих грунтов должен быть в этом случае не менее 1 м/сут. Мелкие и пылеватые пески часто не удовлетворяют этим требованиям.

В тех же целях, а также для усиления основной площадки земляного полотна из глинистых грунтов согласно ВСН 205-87 предусмотрена укладка геотекстиля с устройством под ним защитного слоя из крупнообломочных и песчаных грунтов, исключая пылеватые пески. Технические указания ЦП 4369 рекомендуют на эксплуатируемой железной дороге для противопучинных подушек использовать асбестовые отходы, шлаки, пески. При этом пылеватые пески исключаются.

В "Альбоме типовых поперечных профилей" для устройства подушки в выемках допускается использовать пески с содержанием фракций крупнее 0,1 мм более 90 Z, что исключает применение пылеватого песка и части мелкого.

Однако отсутствие крупнообломочных материалов и кондиционных песков характерно для районов Западно - Сибирской низменности и других. В связи с этим возникла проблема использования для ограничения мерзлотных деформаций в земляном полотне местных мелких и пылеватых песков.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы являлось исследование возможности применения местных мелких и пы-

леватых песков в противопучинных и защитных слоях земляного полотна, сооружаемого в районах избыточного увлажнения и сурового климата.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи.

1. Проанализировать материалы по опыту использования мелких и пылевагых песков в земляном полотне железных и автомобильных дорог в суровых климатических условиях. Выявить эффективность применения этих песков на действующей железнодорожной линии Тюмень - Сургут проведением натурных наблюдений в течение четырех сезонов промерзания - оттаивания (с помощью нивелировки, бурения скважин и др.).

2. Оценить несущую способность мелких и пьшеватых песков в основной площадке земляного полотна, исходя из их физико - технических свойств и величин поездной нагрузки.

3. Выполнить испытания образцов грунта из мелких и пылеватых песков в холодильной камере с целью выявления процессов, происходящих в них при промерзании. Для сравнения исследовать также глинистый грунт.

4. Разработать алгоритм и программу расчета глубины промерзания земляного полотна при многослойном сложении грунтов и различных климатических условиях с целью расчета глубины промерзания и толщины противопучинных подушек на линии Тюмень - Сургут.

5. Исследовать влияние щебеночного и асбестового балласта и геотекстильной прослойки на криогенные процессы в земляном полотне из мелких и пылеватых песков.

6. Дать статистическую оценку связи балльной оценки состояния пути и величины пучения земляного полотна в зимнее время.

Объекты исследований. Наблюдения проводились на четырех опытных участках Свердловской железной дороги на трассе линии Тюмень - Сургут. Мелкий и пылеватый песок исследовался также лабораторными методами-. Использовались материалы дистанции пути, Сибгипротранса и СибЦНИИСа.

Методы исследований. Поставленные задачи решались теоретическими методами с применением основных положений механики грунтов, инженерной геологии мерзлотоведения и экспериментальными с проведением лабораторных исследований и натурных наблюдений и обработкой результатов методами математической статистики.

Научная новизна работы.

1. Обоснована возможность применения мелких и пылева-тых песков в противопучинных и защитных слоях земляного полотна. Действующие в настоящее время нормативы не предусматривают использования пылеватых и части мелких песков для указанных целей.

2. Лабораторными исследованиями и натурными наблюдениями определены особенности криогенных процессов в мелких и пылеватых песках. Выявлена критическая влажность начала пучения и несущая способность этих песков в основной площадке. Разработаны рекомендации по их использованию в противопучинных и защитных слоях земляного полотна.

3. Выявлено влияние материала балластного слоя и подстилающего грунта на глубину промерзания. Разработаны рекомендации по расчету противопучинных устройств на основе статистических экспериментов по оценке величины пучения.

Достоверность научных положений диссертации подтверждается данными экспериментальных работ, выполненных автором, материалами других исследователей и опытом эксплуатации существующих железнодорожных линии.

Практическая ценность работы заключается в обосновании мер повышения стабильности земляного полотна железных дорог в районах с суровым климатом и сложными инженерно - геологическими условиями.

Разработана программа расчета ' глубины промерзания грунтов для ЭВМ, использование которой позволило обосновать толщины противопучинных подушек из мелких и пылеватых песков на линии Тюмень - Сургут.

Дана статистическая оценка связи балльной оценки состояния пути и пучения земляного полотна в зимнее время.

Оценено влияние щебеночного, асбестового балласта и геотекстиля на протекание процессов промерзания.

Технико-экономическая целесообразность. Применение местных мелких и пылеватых песков для создания противо-деформационных конструкций земляного полотна позволяет значительно удешевить строительство (использование асбестовых отходов связано с большими транспортными расходами и затратами на приобретение), так как в стоимости новой желелезнодорожной линии доля земляного полотна составляет 30 - 40 и более процентов.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований использованы при разработке проекта строительства второго пути железнодорожной линии Тюмень - Сургут.

Апробация работы. Основное содержание работы, а также

ее отдельные положения докладывались на научно - технических конференциях 13 апреля 1990 г. в ЛИИЖТе, 27 февраля 1992 г. и 27 ноября 1992 г. в СибГАПС, на заседаниях кафедры "Путь и путевое хозяйство" СибГАПС в 1993 г., а также использовались в дипломном проектировании студентов факультета "Строительство железных дорог" СибГАПС.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 статей и выполнено 2 научно - технических отчета.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников (103 наименования) и приложений. Основной текст содержит 116 машинописных страниц, 14 рисунков, 52 страницы занимают приложения.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Посвящена анализу состояния вопроса по использованию в земляном полотне мелких и пылеватых песков в условиях сурового климата.

Исследования последних десятилетий отечественных ученых (работы Цытовича H.A., Гольдштейна М.Н., Пузакова H.A., Ередюка Г.П., Орлова В.О., Пускова В.И.), а также зарубежных (Тебера, Бескова, Юмикиса и других) показывают, что основным процессом в промерзающих грунтах является перераспределение в них влаги вследствие миграции воды при промерзании с последующим льдовыделением. Причем отличительной чертой пучинистых грунтов является миграция воды к фронту промерзания, сопутствующая образованию ледяных прослоек в виде сегрегационного льда.

С целью прогнозирования возможного пучинообразования в различных инженерно - геологических условиях в зависимости от состава, плотности и влажности грунтов пользуются показателем интенсивности пучения f, в долях единицы или процентах: Д hn

f =- , (1)

Д hg-

где Д hn - величина пучения слоя грунта; Д he - толщина слоя грунта.

Численные значения величин Д hn и Д he определяют в полевых условиях с помощью пучиномеров, нивелировки или путем моделирования в лаборатории. По интенсивности пучения построены различные классификации грунтов по степени морозного пучения.

Приведенные в нормативных документах и ряде литературных источников высокие значения интенсивности пучения мелких и ссобенно пылеватых песков не позволяют использовать их в противопучинных и защитных слоях земляного полотна железных дорог.

Однако некоторые специалисты (Бредюк Г.П., Мурованный H.H. и ряд других) отмечают, что в условиях земляного полотна эти пески, как правило, не пучатся при промерзании.

По лабораторным опытам пучинистости мелких и пылеватых песков, выполненных ранее в СибЦНИИСе и СибГАПС, замечено, что мелкие и пылеватые пески становятся пучинис-тыми только при практически полном насыщении их водой, при влажности до 14 % они фактически не пучатся. Существенного влияния их плотности на пучение не обнаружено.

Коэффициент фильтрации мелких и пылеватых песков снижается с увеличением плотности и при ее значении, близком к максимальному (по методу стандартного уплотнения) может составлять у мелких песков менее 1 м/сут, у пылеватых менее 0,5 м/сут. По существующим нормативным требованиям это исключает их использование в противопучинных и защитных слоях.

Специалистами Сибгипротранса было осуществлено проектирование земляного полотна на линии Тюмень - Сургут с использованием в противопучинных конструкциях мелких песков. Данное решение носило вынужденный характер, так как более высококачественные грунты здесь отсутствовали. В процессе строительства, однако, выяснилось, что мелкие и пылеватые пески в карьерах трудно разделимы. Поэтому при сооружении земляного полотна были использованы как мелкие, так и пылеватые пески. В большинстве случаев в конструкциях земляного полотна оказались пылеватые пески, хотя это и не предусматривалось проектными решениями.

Наряду с положительным опытом применения мелких и пылеватых песков в насыпях и противопучинных слоях земляного полотна на линии Тюмень - Сургут имеется ряд участков, где земляное полотно недостаточно пучиноустойчиво. Это обьясняется тем, что проектирование величины замены глинистых грунтов местными песками при строительстве противодеформационных конструкций осуществлялось по существующим в то время нормам, исходя из глубины промерзания в районе Тюмени, равной 2 м, принятой одинаковой для всей линии.

Толщина противопучинной подушки из местных песков бы-

ла запроектирована равной 1 м и 0,55 м с учетом показателя текучести глинистых грунтов земляного полотна.

Глава 2. Рассмотрены теоретические основы применения мелких и пылеватых песков в противопучинных и защитных слоях земляного полотна.

Во многих странах (США, Норвегия и др.) критерий пу-чиноопасности грунта вычисляется на основе гранулометрического состава, так как давно замечено, чем дисперснее грунт, тем больше интенсивность возможного пучения.

В этом смысле представляет интерес разработанная В.О. Орловым оценка пучинистости грунтов по критерию дисперсности. Используя данные Сибгипротранса по массовым определениям характеристик грунтов в карьерах, этот критерий был рассчитан применительно к мелким и пылеватым пескам линии Тюмень - Сургут. Оказалось, что местные мелкие пески должны считаться слабопучинистыми, а пылеватые среднепучинистыми грунтами. Однако критерий дисперсности Орлова В.О. не связывает интенсивность пучения грунта с его влажностью. В то же время известно, что влажность играет важнейшую роль в пучении грунтов и формировании криогенной текстуры.

Поэтому были выполнены расчеты по формуле, в основе которой лежит предпосылка о том, что величина пучения обусловлена превышением обьема конституционного льда по сравнению с объемом пор грунта, с учетом незамерзающей воды, при конкретных условиях процесса охлаждения данного грунта. Приняв в этой формуле пучение равным нулю, после несложных преобразований получим:

1,09 • (№Ср - Инз) " (Мза! - МНз) = 0 , (2)

где №нз> WSat ~ соответственно влажность грунта, незамерзшая вода, полная влагоемкость.

Вычисления по формуле (2) применительно к мелким и - пылеватым пескам показали, что при влажности их до 17 % пучения теоретически еще не должно происходить. К недостаткам данной методики может быть отнесен неучет гран-состава и игнорирование миграции влаги.

Физико - механические свойства мелких и пылеватых песков Западно - Сибирской низменности исследовались Сибгипротрансом, СибЦНИИСом.

Было подсчитано критическое давление на основную площадку из мелких и пылеватых песков при выявленных прочностных характеристиках. Оказалось, что мелкие и пылева-

тые пески не теряют своей несущей способности от воздействия на ник перспективной поездной нагрузки (80 кПа). По этому показателю можно рекомендовать применять их в защитных и противопучинных слоях земляного полотна.

При проектировании противопучинных устройств необходимо исходить из глубины промерзания земляного полотна.

Глубина промерзания вычислялась на основании методики профессора Лукьянова В. С. с использованием формул расчета теплсфизических характешстик грунта:

■г С-8 ч ( Х-8 Х-е-ч-Б 2 \

X = 0_ +- . . 1п---I (3)

^ 2 ' ^ Л-е-д-Сг+Б) ч /

где х - длительность процесса промерзания; С - количество теплоты льдообразования в грунте; X - коэффициент теплопроводности мерзлого грунта; ц - тепловой поток к границе промерзания из нижележащих талых слоев грунта; Б - толщина слоя грунта, эквивалентная по термическому сопротивлению теплоизоляции на поверхности; г - глубина промерзания; 8 - разность средней температуры воздуха за зимний сезон и температуры промерзания грунта.

Глубина промерзания в формуле (3) представлена неявно поэтому для проведения массовых расчетов была составлена программа для персонального компьютера.

Расчеты программе произведены применительно к железнодорожной линии Тюмень - Сургут, при этом учитывались характеристики материала балластной призмы и подстилающих грунтов. В итоге получены глубины промерзания для характерных пунктов на протяжении всей трассы (рис. 1).

Вычисления показали, что от Тюмени до Сургута глубина промерзания от верха балластной призмы возрастает приблизительно с 2 м до 2,8 м, что связано с изменением, главны}-! образом, климатических условий.

Как отмечалось, при проектировании Сибгипротрансом противопучинных устройств для всей линии Тюмень - Сургут была принята глубина промерзания, равная 2 м, заниженная в районе Сургута на 0,8 м, а в промежуточных точках несколько меньше.

Проводилась также сравнительная оценка различия глубины промерзания при подстилании балластной призмы суглинком, мелким и пылеватым песком, в результате выявлено некоторое возрастание ее абсолютного значения (5 у песка по сравнению с суглинком.

В некоторых нормативных источниках глубина промерзания грунтов под основной площадкой рассчитывается без учета материала балластной призмы (асбеста, щебня). Как

--- - щебень - 0,5 м, песок;

—■■—■■ - асбест - 0,5 м, песок; - • - - асбест - 0,5 м, суглинок.

Рис. 1. Глубина промерзания г грунтов земляного полотна

показали результаты расчетов, это может привести к ошибке до 20 X. Очевидно, что учет материала балластной призмы при расчетах глубины промерзания необходим.

Глава 3. Включает результаты лабораторных опытов по промораживанию образцов грунта из мелких и пылеватых песков и суглинка, натурные наблюдения на четырех опытных участках линии Тюмень - Сургут.

Анализ процессов влагопереноса и пучения в промерзающем грунте показывает, что криогенные деформации грунта при его замерзании в основном связаны с наличием в нем воды и ее состоянием.

Как уже отмечалось, отличительной чертой пучинистых грунтов является миграция воды к фронту промерзания, приводящая к образованию сегрегационного льда. В то же время при промерзании не подверженных пучению грунтов миграция влаги практически отсутствует. В них образуется лед - цемент (контактный или пленочный), не нарушающий характера положения частиц грунта до его промерзания.

Различают два случая безнапорной миграции влаги:

1) в условиях "закрытой системы", когда общее количество влаги в исследуемом объеме не изменяется;

2) в условиях "открытой системы", когда в процессе промерзания количество влаги непостоянно за счет взаимо-

- 9 -

действия с окружающей средой.

Проводившиеся ранее лабораторные опыты по пучинистос-ти мелких и пылеватых песков осуществлялись в основном по открытой схеме (с подтоком воды снизу), в итоге были получены значительные величины интенсивности пучения. Это предопределило настороженное отношение к их пучино-устойчивости, что и нашло отражение в нормах.

В настоящем исследовании испытывался мелкий и пылева-гый песок на предмет пучинистости по закрытой и открытой схемам^ В результате были получены апроксимирующие прямолинейные зависимости интенсивности пучения грунтов от их влажности. Для сравнения испытывался также суглинок.

Следует отметить, что заметная интенсивность пучения при испытании мелкого песка (по закрытой схеме) появляется у образцов с влажностью 17 и более процентов. При испытании по открытой схеме интенсивность пучения несколько возрастает. Исследования пылеватого песка показали (рис. 2), что влажность порога пучения у них составляет 15 %, а переход в слабопучинистую категорию происходит при 18 % влажности (плотность сложения грунта 1,5 - 1,7 т/м3). Такая влажность близка к полной влагоемкос-ти. По открытой схеме интенсивность пучения у них значительно выше.

Г.Х 2,0

1.5

1,0

0,5

0,0

О 10 20 30

--пылеватый песок;---мелкий песок; |1 - влажность (средняя) мелкого песка в земляном полотне;12 -влажность (средняя) пылеватого песка в земляном полотне.

{

/

/ У

и {2 / ^ у

Рис. 2. Зависимость интенсивности пучения Г песка

от влажности «

- 10 -

Таким образом, можно заключить, что неводонасыщенные мелкие и пылеватые пески пучению практически не подвержены. В то же время при подтоке воды снизу интенсивность пучения этих песков может составлять 2 % и более.

Характерно, что в песчаных грунтах наблюдается образование льда - цемента, в то время как криогенная текстура глинистого грунта включает в себя сегрегационный лед. Следовательно, генезис конституционного льда различен.

Следует заметить, что при испытанияхшюткрытой схеме влажность образцов увеличивается, особенно их нижних слоев, не только за счет криогенных процессов, но и за счет капиллярного поднятия. Последнее в мелких и пылева-тых песках доминирует, так как при испытаниях по закрытой схеме миграции влаги практически не обнаружено.

Испытанию подвергались также образцы с геотекстильной прослойкой (ватин) и без нее. В обоих случаях получены идентичные результаты по интенсивности пучения.

Натурные наблюдения на опытных участках проводились в 1988 - 1992 гг. Участки представляют собой железнодорожный путь линии Тюмень - Сургут с различным инженерно -геологическим строением земляного полотна и его основания.

Данная дорога, как известно, расположена в Западно -Сибирской низменности, характеризующейся своеобразием, различием и сложностью физико - геологических, геологических и резкоконтинентальных климатических условий. Не давая развернутой характеристики этих условий, отметим, что в своей совокупности они неблагоприятны для сооружения и эксплуатации земляного полотна.

Линия проходит по районам избыточного и весьма избыточного увлажнения, где количество атмосферных осадков превышает их испарение и поверхностный сток. Такие условия способствуют переувлажнению грунтов, формированию верховодки и болот.

При натурных наблюдениях на опытных участках ставились следующие задачи.

1. Выявить качественные и количественные показатели морозного пучения грунтов земляного полотна, установить причины значительных морозных деформаций.

2. Исследовать в конкретных условиях линии Тюмень -Сургут предзимнюю влажность по глубине грунтов земляного полотна.

3. Проанализировать по результатам наблюдений эффективность конструкций противопучинных устройств.

- 11 -

4. Собрать материал по оценке пучиноустойчивости и эксплуатационной надежности земляного полотна рассматриваемого участка пути для разработки рекомендаций по мерам предупреждения образования пучин.

5. Оценить возможные морозные деформации на строящемся втором пути.

В годичный цикл наблюдений входили работы по выявлению вертикальных деформаций земляного полотна, балластного слоя и песчаной противопучинной подушки, вызываемых их промерзанием и морозным пучением. Для этого осуществлялись нивелировки фиксированных точек обеих рельсовых нитей и марок в границах закрепленного участка. Первая нивелировка проводилась в осений период до начала промерзания балластной призмы, но после предзимних работ по выправке пути на пучинных участках по головкам обеих рельсовых нитей через каждые 5м, а также контрольным маркам и пучиномерам. Вторая нивелировка производилась в зимнее время, когда глубина промерзания грунта еще не достигла своего максимума, с целью выявления динамики пучения грунта. Время третьей нивелировки - конец зимнего сезона, в период между сходом снега с балластной призмы и началом ее оттаивания. Это время наибольшего промерзания грунта, а значит, и максимальной величины пучения. С целью выявления предзимней влажности, глубины промерзания, геологического строения были пробурены скважины.

По результатам проведенных наблюдений, геодезических и геологических работ получен следующий материал.

1. Продольные профили рельсовых нитей на участках, совмещенные с инженерно - геологическими данными.

2. Эпюры изменения влажности грунтов по глубине на основании бурения.

3. Данные о деформациях марок, установленных в балластном слое из асбестовых отходов.

4. Выявлены по наблюдениям глубина и динамика промерзания грунтов.

Получены также данные по величинам пучения слоев различных грунтов с помощью пучиномеров конструкции автора, установленных в теле земляного полотна.

В результате исследований и обработки собранного материала установлено следующее.

1. Асбестовая балластная призма не подвержена морозным деформациям.

2. Характер морозного пучения рельсовых нитей в основном из года в год повторяется, что связано с характе-

- 12 -

ристиками и пучением подстилающих балластный слой грунтов.

3. Подтверждена ранее установленная Бредюком Г.П. зависимость возрастания неравномерности пучения с ростом его величины.

4. Наибольшее пучение (до 80 мм) наблюдается на участках, где в зоне промерзания залегают суглинки тяжелые, имеющие текучепластичную консистенцию ввиду близкого расположения грунтовых вод. Непостоянная толщина песчаной подушки на участке (0,4 - 1,2 м) отражается на значительной неравномерности пучения пути, так как мощность промерзающего слоя подстилающего глинистого грунта оказывается резко неодинаковой.

5. Мелкие и пылеватые пески в противопучинных конструкциях земляного полотна при промерзании не пучились.

6. Наблюдения с помощью пучиномеров показали отсутствие пучения у пылеватого песка в отличие от суглинка, который пучился с интенсивностью 6 7с и более.

7. Анализом образцов на влажность при бурении на железнодорожной линии Тюмень - Сургут в разные периоды года выявлено, что влажность пылеватого песка в земляном полотне и противопучинных конструкциях составляет приблизительно 11 X (см. таблицу), в то время как порог начала пучения, по лабораторным данным, равняется 15 X и порог перехода в слабопучинистую категорию 18 X.

Средние значения влажности песчаных грунтов по данным Сибгипротранса, СибДНШСа, СибГАПС

Грунт В карьерах В земляном полотне

Песок мелкий Песок пылеватый 10,2%(8,0Х-13,0Х) 12,2%(8,87.-16,67.) 8,6% (7,0£-12,07.) 10,87.(8,27.-13,07.)

Глава 4. - В данной главе анализируется статистический материал, полученный с помощью натурных наблюдений и обобщением материалов дистанций пути.

Как известно, положение рельсо - шпальной решетки существующего железнодорожного пути с течением времени изменяется под воздействием различных факторов (климатических условий, состояния шпал, балласта, скреплений, земляного полотна, пропущенного тоннажа и др.). Невозможность их точного учета обусловливает необходимость вероятностного подхода к оценке состояния рельсовой ко-

- 13 -

леи. Отклонения от норм содержания пути рассматриваются как случайные величины с соответствующим законом распределения.

Обобщение полученных данных позволяет сделать вывод о возрастании среднего квадратического отклонения величины пучения при увеличении ее абсолютного значения на исследуемых участках.

Очевидно, что рассчитываемая величина пучения при проектировании новых линий должна быть значительно меньше допустимой в характерный год в зависимости от категории дороги.

Натурные данные нивелировок показали, что средняя величина неравномерности пучения пути с увеличением толщины пылеватого песка под балластом (при постоянной толщине асбестового балласта) уменьшается, также уменьшается разброс этой величины вокруг своего среднего. На участках пути, где общая толщина балласта и песчаного грунта под ним перекрывает глубину промерзания, пучение рельсовых нитей практически отсутствует.

Пучинные деформации пути, возникающие в зимнее время, дестабилизируют положение рельсо - шпальной решетки. Ремонтные бригады исправляют пучинные деформации, однако в случае их массовости это не всегда удается, что приводит к нарушению плавности движения поездов, фиксируемому при проходах путеизмерительного вагона. Логично поэтому ожидать на пучиноопасных участках пути повышенной балльной оценки в период роста и спада пучин.

На протяжении участка железнодорожной линии Тюмень -Тобольск, где условия сооружения земляного полотна затруднены наличием множества болот и подтопляемых мест, широко применялись мелкие и пылеватые пески. Это позволило обеспечить стабильность земляного полотна в течение круглого года, и путь здесь содержится, по показаниям вагона - путеизмерителя, в отличном и хорошем состоянии.

В то же время участок Демянской дистанции пути, проходящий в основном по Тобольскому материку, сложенному глинистыми грунтами, имел значительное количество пучин. Характерно, что на данном участке отмечалось повышение среднекилометровой балльной оценки за зимне - весенние месяцы по сравнению с летне - осенними (приблизительно в 2 раза). Это свидетельствует о широком распространении пучинных деформаций пути на участках залегания глинистых грунтов и недостаточной мощности противопучинных конструкций.

После проведения капитального ремонта пути балльная

- 14 -

оценка снизилась, что явилось следствием не только повышения надежности рельсо - шпальной решетки, но и уменьшения толщины пучинообразующего слоя грунта основания из - за увеличения мощности асбестового балласта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена актуальным проблемам использования местных мелких и пылеватых песков в проти-вопучинных и защитных слоях земляного полотна, сооружаемого в районах избыточного увлажнения и сурового климата, а также вопросам, связанным с их применением и влиянием на действующую железнодорожную линию.

В работе выполнено следующее.

1. Обоснована возможность применения мелких и пылеватых песков в противопучинных и защитных слоях земляного полотна в районах с суровым климатом. Действующие в настоящее время нормативные документы не предусматривают использование пылеватых и части мелких песков для этих целей.

2. Лабораторными исследованиями и натурными наблюдениями определены особенности промерзания и пучения мелких и пылеватых песков. Критическая влажность начала пучения их (с интенсивностью в II) составляет 17..23%. Такая влажность не характерна для данных грунтов в земляном полотне, это дает основание утверждать, что пучение у них отсутствует.

Несущая способность основной площадки из мелких и пылеватых песков обеспечивается не только для действующей, но и для перспективной поездной нагрузки.

3. Выявлено влияние материала балластного слоя и подстилающего грунта на глубину промерзания. Разработаны рекомендации по расчету противопучинных устройств на основе статистических экспериментов по оценке величины пучения.

4. Разработана программа расчета глубины промерзания грунтов для ЭВМ, использование которой позволило обосновать толщины противопучинных подушек из мелких и пылеватых песков на линии Тюмень - Сургут.

По результатам выполненных исследований использования мелких и пылеватых песков в противопучинных и защитных слоях земляного полотна и материалам наблюдений на железнодорожной линии Тюмень - Сургут можно сделать следующие выводы.

1. Конструкции земляного полотна, сооружаемые по про-

- 15 -

екту Сибгипротранса с использованием местных мелких песков, позволили на ряде участков свести к минимуму пучинные деформации.

На практике создание противопучинных слоев земляного полотна реализовано с применением не только мелких, но и пылеватых песков, так как в карьерах они трудно разделимы.

Широкое применение мелких и пылеватых песков в насыпях и противопучинных слоях принесло ощутимый положительный эффект.

2. Наряду с положительным опытом применения мелких и пылеватых песков в конструкциях земляного полотна имеется ряд участков, где земляное полотно недостаточно пучи-ноустойчиво. Данные деформации связаны с недостаточной толщиной противопучинной подушки из мелких и пылеватых песков на низких насыпях, и особенно в выемках с глинистыми грунтами.

Заниженная толщина песчаной подушки привела к значительным пучинным деформациям, особенно в первые годы эксплуатации. В последующие годы за счет подьемок пути на асбестовый балласт удалось значительно снизить пучи-нообразование на железнодорожной линии Тобольск - Сургут, так как при этом уменьшилась толщина пучинообразую-щего слоя под асбестовым балластом и песчаной подушкой. На многих участках зона промерзания не стала заходить в пучинистые грунты земляного полотна и его основания.

3. Недостаточно пучиноустойчивыми участками земляного полотна оказались:

- выемки в маловлажных глинистых грунтах (^<0,26), где замена согласно нормативам не предусматривалась, а также во влажных глинистых грунтах, где замена грунта на мелкий и пылеватый песок составила 0,65 - 1,0 м;

- низкие насыпи и нулевые места на пучинистых грунтах с пучинозащитным слоем из мелких и пылеватых песков толщиной 0,65 - 1,0 м (по проекту), реализованные с плохой планировкой глинистого основания;

- низкие насыпи из глинистых грунтов.

4. Применение геотекстильного покрытия (типа ватин) на втором строящемся пути не дало ощутимого эффекта в предотвращении пучения.

Анализируя полученный экспериментальный материал, а также литературные источники по данной проблеме, можно рекомендовать следующее:

1. Кроме рекомендованных в существующих нормах грунтов и материалов для противопучинных устройств следует

- 16 -

применять также местные мелкие и пылеватые пески.

2. Глубину промерзания необходимо определять для каждого пункта трассы с известными климатическими характеристиками. Между этими пунктами глубина промерзания может быть найдена путем интерполяции. Расчеты возможны без учета мигрирующей влаги к зоне промерзания, так как в асбестовом и щебеночном балластах, а также в песчаной подушке миграции практически не происходит (или она незначительна) и расчет будет достаточно точным, чего нельзя сказать в случае глинистых грунтов, в которых миграция влаги в период промерзания имеет существенное значение.

3. В районах сурового климата с избыточным увлажнением местности для балластировки пути целесообрзно применять асбестовые отходы, так как при этом достигается уменьшение глубины промерзания (по сравнению с щебнем) и защита подстилающих грунтов от атмосферных осадков (по литературным источникам влажность понижается на 2-4 %).

4. Применение в защитных конструкциях нетканых материалов в связи с их многообразием и непостоянством свойств в процессе эксплуатации должно быть обосновано дополнительно.

5. Для исключения пучения необходимо, чтобы глубина промерзания в любой момент времени находилась в пределах непучинистых материалов и грунтов, включая мелкие и пылеватые пески. Уровень грунтовых вод должен быть ниже глубины промерзания минус высота капиллярного поднятия подстилающих грунтов.

6. Если допускается некоторая величина пучения, заложенная, в частности, в новую редакцию СНиП 02.05.01, расчет следует проводить, учитывая непучинистость мелких и пылеватых песков при низком уровне грунтовых вод.

7. Конструирование земляного полотна должно обеспечивать однородность сложения грунтов в пределах зоны промерзания, равномерность толщины их слоев в продольном и поперечном оси пути направлениях. Сопряжения на участках разнородных грунтов следует устраивать так, чтобы можно было обеспечить отводы пути при возникновении пучения.

8. Мелкие и пылеватые пески целесообразно применять также в слоях, выравнивающих толщину дренирующих грунтов под балластом в земляном полотне второго пути, примыкающего к существующему пути. На строящемся втором пути линии Тобольск - Сургут это даст значительную экономию ввиду того, что стоимость асбестовых отходов, применяющихся для этих целей в настоящее время, значительно пре-

- 17 -

вышает стоимость местных песков.

9. В случае обоснованного применения геотекстиля на участках земляного полотна из глинистых грунтов для усиления основной площадки можно использовать в защитном слое не только дренирующие грунты, как это предусмотрено ВСН 205-87, но и пылеватые пески.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Тютрин В.А. Расчет глубины промерзания грунта с использованием неявной функции // Сборник описаний алгоритмов и программ для ЭВМ. Вып. N3 / НИИЖТ. Новосибирск, 1989. С. 27 - 28.

2. Тютрин В.А. Обработка результатов нивелирования участка железнодорожной линии // Сборник описаний алгоритмов и программ для ЭВМ. Вып. N4 / НИИЖТ. Новосибирск,

1991. С. 9 - 10.

3. Тютрин В.А, Анализ температурно - влажностного режима земляного массива // Сборник описаний алгоритмов и программ для ЭВМ. Вып. N4 / НИИЖТ. Новосибирск, 1991. С. 13 - 15.

4. Тютрин В.А. Результаты наблюдений за пучением основания выемки железнодорожной линии Тюмень - Сургут // Вопросы оптимизации переустройства и содержания железных дорог в Сибири и на Дальнем Востоке / НИИЖТ. Новосибирск, 1990. С. 75-77.

5. Тютрин В.А. Об эффективности использования асбестовых отходов как противопучинного материала // Повышение надежности и эффективности железнодорожного пути / НИИЖТ. Новосибирск, 1991. С. 116 - 118.

6. Тютрин В.А. О миграции влаги в промерзающих песках // Проблемы железнодорожного транспорта Сибири : Тезисы, часть 1 / НИИЖТ. Новосибирск, 1992. С. 48.

7. Тютрин В.А. Прибор для наблюдений за пучением грунта / / Повышение обеспечения надежности пути в современных условиях : Тезисы докладов научно - практической конференции за 25 - 27 февраля / НИИЖТ. Новосибирск,

1992. С. 18 - 19.

8. Ередюк Т.П., Тютрин В.А. Использование мелких и пылеватых песков в противопучшных конструкциях железнодорожного пути // Обеспечение эксплуатационной надежности земляного полотна железных дорог : Материалы Всесоюзной научно - технической конференции за 12 - 13 апреля / ЛЮТТ. Л., 1991. С. 82 - 84.