автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Принципы обеспечения стабилизации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты

На правах рукописи

ЖДАНОВА СВЕТЛАНА МИРЗАХАНОВНА

ПРИНЦИПЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В ЮЖНОЙ ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

05 22 06 - «Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

иОЗОВБЗЭ!

Москва - 2007

003065391

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО ДВГУПС)

Научный консультант доктор технических наук

Дыдышко Петр Иванович

Официальные оппоненты, доктор технических наук, профессор

Грицык Валерий Иванович ¿рГУПС)

доктор технических наук, профессор .

Сахаров Игорь Игоревич (рл ГА & У)

доктор технических наук .

Абросимов Алексацдр Иванович (фГУП Н1Л1Л-Э

г Ыег

Ведущая организация- Тихоокеанский Государственный Университет

Защита состоится "2." октября 2007 г в "/-3" ч на заседании диссертационного совета Д 218 002 01 при Федеральном государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ФГУП ВНИИЖТ), адрес 129851, Москва, ул 3-я Мытищинская, д 10, зал заседаний Ученого Совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ВНИИЖТа

Автореферат разослан" 34 2007 г

Отзывы об автореферате в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба отправлять в адрес ФГУП ВНИИЖТа 129851, Москва, ул 3-я Мытищинская, д 10, ученому секретарю ВНИИЖТ

Ученый секретарь диссертационного со1 доктор технических наук, профессор

ПТ Гребенюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На современном этапе развития Забайкалья и Дальнего Востока совокупность геополитических и экономических причин определяет необходимость дальнейшего совершенствования транспортной системы региона Возможность формирования международных транспортных коридоров, доступ к уникальным природным ресурсам северных регионов - все это обусловливает повышенное внимание ведущих научных центров и отдельных ученых к вопросам проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна, преимущественно, в условиях вечной мерзлоты

При этом некоторые вопросы, связанные с обеспечением стабилизации земляного полотна при его усилении (реконструкции), а также строительстве новых линий и дополнительных главных путей, в том числе в связи с перспективой увеличения осевых и погонных нагрузок, а также обращением поездов увеличенной массы в северных регионах, остаются пока до конца не исследованными Эти вопросы влияют на сбалансированное развитие транспортной сети региона.

Актуальность проблемы обусловлена тем, что на значительном протяжении (более тысячи километров) существующих железных дорог Забайкалья, БАМ, эксплуатируемого участка Амуро-Якутской магистрали (АЯМ), расположенных на высокотемпературных вечномерзлых грунтах, проявляются часто неравномерные и недопустимые искажения продольного профиля и плана линии, негативно влияющие на безопасность и бесперебойность движения поездов

Земляное полотно железных дорог в южной зоне вечной мерзлоты в районах Забайкалья и Дальнего Востока подвержено деформациям, которые в значительной мере обусловлены оттаиванием фунтов оснований и их переувлажнением В настоящее время на Северном широтном ходу Дальневосточной железной дороги (ДВЖД) общая протяженность деформаций земляного полотна по данным АСУ ЗП составляет 964 км, из них 684,2 км подвержено осадкам, 79,1 км - пучинам, 69,7 км - обвалам, оползням и сплывам, 52,2 км - размывам Протяженность мест с недостаточной шириной земляного полотна по верху составляет 292 км (30,3 %) и с повышенной крутизной откосов - на 116,95 км (5,5 %) Большинство дефектов также являются следствием осадок Осадки на оттаивающих вечномерзлых грун*

тах составляют 51,9 % общей протяженности осадочных мест ДВЖД На Забайкальской железной дороге (ЗАБЖД) деформациям земляного полотна подвержено 29,1 % ее протяженности Осадки составляют 85,1 км или 17,5 % от протяженности всех деформаций и дефектов, из них 49 осадочных мест на вечномерзлом основании общей протяженностью 14,3 км

Деформациям земляного полотна способствуют неисправности водоотводных сооружений и недостаточное количество (до 40 % от потребного) запроектированных и построенных малых водопропускных сооружений Более 500 км водоотводных сооружений на ЗАБЖД и более 2000 км на ДВЖД находятся в неисправном состоянии Количество ограничений скорости движения поездов на участках железных дорог в южной зоне вечной мерзлоты значительно больше среднедо-рожных и среднесетевых показателей

Для обеспечения прогнозируемого прироста объемов перевозок к 2010 г примерно на 50 % (главным образом, за счет экспорта нефти, угля, лесных грузов) потребуется реализация мероприятий по устранению и предупреждению деформаций земляного полотна в рассматриваемых условиях

Происходящие процессы и явления в оттаивающих вечномерзлых грунтах основания железных дорог остаются до настоящего времени недостаточно изученными, что негативно влияет на принимаемые проектные решения по усилению (реконструкции) земляного полотна эксплуатируемых линий, строительству вторых путей и новых линий Эти решения нуждаются также в дополнительном научном обосновании в связи с вводом прогрессивных технологий перевозок

Проектирование земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты должно осуществляться на основе исходных данных, результатов расчетов температурного режима и напряженно-деформированного состояния оттаивающих вечномерзлых грунтов, а также технико-экономического сравнения вариантов по приведенным затратам (капитальные вложения на усиление земляного полотна и эксплуатационные расходы).

Выбор вариантов проектирования необходимо производить с учетом основных закономерностей стабилизации геотехнической системы (ГТС) «земляное полотно-основание»

Данная работа посвящена проблеме совершенствования системы проектирования земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты для обеспечения его стабилизации и эксплуатационной надежности в условиях термодинамической нестабильности после его возведения с учетом изменений условий эксплуатации

Для совершенствования общепринятой системы проектирования разработаны методики, позволяющие осуществлять выбор вариантов проектирования на основе определения затрат на стабилизацию деформирующегося земляного полотна, обоснования конструктивно-технологических решений и их качественного и количественного контроля

Принципы обеспечения стабилизации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты, исследуемые в настоящей диссертационной работе, являются методологической концепцией, которая использует наиболее приемлемый функционально-системный подход, позволяющий дополнить существующую систему новыми элементами и методиками, а также логически придать проекту практическую направленность

Целью исследования является разработка методов проектирования земляного полотна на основе функционально-системного подхода к усилению (реконструкции) существующих линий и строительству новых линий, вторых путей в южной зоне вечной мерзлоты для снижения эксплуатационных расходов железных дорог и обеспечения рентабельности вводимых прогрессивных технологий перевозок, предусматривающих повышение осевых и погонных нагрузок, а также обращение поездов увеличенной массы, в районах Забайкалья и Дальнего Востока за счет стабилизации земляного полотна и основания из оттаивающих вечномерзяых грунтов

Для достижения поставленной цели в работе решается комплекс задач, включающий в себя-

комплексный анализ проблем строительства и эксплуатации геотехнических систем (TTC) «земляное полотно-основание» в условиях южной зоны вечной мерзлоты,

исследование причин незатухающих деформаций в районах южной зоны вечной мерзлоты,

разработку методики учета теплового влияния противодеформационных конструктивно-технологических мероприятий при составлении проектов нового строительства и усиления (реконструкции) земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты (качественный анализ),

разработку методики количественной оценки деформативности ГТС на оттаивающих вечномерзлых грунтах с учетом перспективного увеличения осевых и погонных нагрузок, а также обращения поездов увеличенной массы (с помощью расчетов напряженно-деформированного состояния, НДС);

разработку методики прогноза и нового принципа диагностики земляного полотна,

дополнение информационной противодеформационной конструктивно-технологической базы новыми решениями и частными методиками, позволяющими осуществить наиболее прогрессивные проектные решения,

создание метода проектирования земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты, использующей функционально-системный подход на уровне реализации проекгно-технологических решений (на конкретном примере)

Совокупность вышеуказанных задач позволяет разработать принципы обеспечения стабилизации объектов усиления (реконструкции) и строительства земляного полотна в районах южной зоны вечной мерзлоты

Для решения поставленных задач использовались методы исследования, связанные с проведением многолетних экспериментальных полевых, лабораторных и теоретических работ В работе использованы физические и математические методы моделирования, расчетно-теоретического анализа работы ГТС, синтеза накопленной совокупности научных знаний по теории и практике проектирования земляного полотна эксплуатируемых и строящихся транспортных объектов, математической статистики для обработки экспериментальных данных, экономической оценки эффективности вариантов проектных решений, системный метод и другие методы, прямо или косвенно влияющие на совершенствование системы проектирования земляного полотна с целью безопасного и бесперебойного функционирования железных дорог в регионах Забайкалья и Дальневосточного Севера.

Научная новизна работы состоит в постановке и решении в едином алгоритме комплекса задач для разработки проектов усиления (реконструкции) земляного полотна эксплуатируемых линий, строительства земляного полотна новых линий и дополнительных главных путей в условиях южной зоны вечной мерзлоты на основе функционально-системного подхода

В ходе исследований автором получен ряд новых результатов выявлены причины незатухающих деформаций в районах вечной мерзлоты, разработаны новые методика прогноза и принцип диагностики состояния фунтов,

предложены методики качественной и разработанной новой количественной оценки состояния ГТС в результате реализации проектно-технологических решений и вибродинамического воздействия подвижного состава,

разработаны новые методики рационального выбора конструктивно-технологических решений для стабилизации ГТС при проектировании земляного полотна новых и эксплуатируемых объектов с учетом установленных закономерностей,

предложены и реализованы новые многофункциональные противодеформаци-онные конструктивно-технологические мероприятия для стабилизации земляного полотна новых и эксплуатируемых линий;

усовершенствован метод проектирования земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты на основе выбора эффективных проектных решений и вариантов проектирования с использованием функционально-системного подхода

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты составляют методологическую основу комплексной технологии высокоэффективного проектирования ГТС в южной зоне вечной мерзлоты с учетом перспективных условий эксплуатации железных дорог Протяженность железных дорог в этой зоне составляет более четверти их общей протяженности в рассматриваемом регионе Забайкалья и Дальнего Востока Разработанные методики, дополняющие и совершенствующие традиционные принципы обеспечения стабилизации, предназначены для использования при составлении проектов усиления (реконструкции) земляного полотна эксплуатируемых линий, а также строительства новых линий и дополнительных главных путей в рассматриваемом регионе, что способствует снижению капитальных затрат и эксплуатационных расходов

На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну диссертации результаты комплексного анализа проблем эксплуатации геотехнической системы (ГТС) «земляное полотно-основание» в условиях вечной мерзлоты,

результаты исследования причин незатухающих деформаций в районах вечной мерзлоты,

методика учета теплового влияния различных конструктивно-технологических мероприятий на стабильность ГТС при их реконструкции и усилении,

методика количественной оценки работы элементов ГТС «земляное полотно -протаивающее вечномерзлое основание» под воздействием статических и вибродинамических нагрузок,

методики рационального выбора конструктивно-технологических решений для стабилизации ГТС при проектировании земляного полотна новых и эксплуатируемых объектов с учетом закономерности его стабилизации,

методики прогноза и типизации деформаций земляного полотна с учетом затрат при реализации противодеформационных мероприятий,

метод проектирования земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты на основе выбора эффективных проектных решений и вариантов проектирования с использованием функционально-системного подхода

Реализация и апробация работы. Вклад автора в исследование проблемы. Основные положения диссертации многократно докладывались и получили положительную оценку на 20 различных конференциях и 4 сетевых школах, в том числе Всесоюзная научно - техническая конференция МИИТа (1989 г), региональная научно -техническая конференция ХГТУ по проблеме «Дальний Восток России» (1995 г), 2-я международная конференция МИИТа «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (1996 г ), 2-я международная конференция «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 1997 г), Всероссийская научно-техническая конференция «Комплексные проблемы проектирования строительства и эксплуатации железных дорог в условиях Крайнего Севера» (Хабаровск, 1998 г), Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы Транссиба на рубеже веков» (Чита, 2000 г), Вторая международная научная конференция творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (Хабаровск, 2001 г), Всероссийская научно-практическая конференция «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта Сибири и Дальнего Востока» (Хабаровск-Владивосток, 2001 г), научно-практическая конференция СГУПС «Вузы Сибири и Дальнего Востока - Транссибу» (Новосибирск, 2002); научно-практическая конференция «Проектирование и строительство транспортных объектов в условиях Республики Саха (Якутия)» (г Якутск, 2003 г), 43-я Всерос-

сийская научно-практическая конференция «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, 2003 г), Международный симпозиум «Культурно-экономическое сотрудничество стран северо-восточной Азии» (Хабаровск, 2005 г), 3-я конференция геокриологов России (МГУ, 2005 г ), Шестая международная научная конференция (Международный научный форум ИАС ТОГУ) «Новые идеи нового века» (Хабаровск, 2006г), Всероссийская научно-практическая конференция «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, 2006 г ) и др

Материалы диссертации докладывались на научно-техническом совете ДВГУПС 15 06 2006, на НТС Комплексного отделения «Путь и путевое хозяйство» ВНИИЖТ 13 09 2006 и 27 12 2006, где получили положительную оценку

Диссертационная работа является результатом исследований, которые автор проводит более двадцати лет в научно-исследовательской лаборатории «Основания и фундаменты» ДВГУПС Эти исследования включают в себе многолетние натурные режимные наблюдения на объектах-аналогах восточного участка БАМ и расчетно-теоретический анализ Они выполнялись в соответствии с отраслевыми и государственными программами, указаниями ЦП МПС России, по заказам ДВЖД, ЗАБЖД, в которых автор руководил работами и/или был их исполнителем В исследованиях участвовали сотрудники лаборатории, преподаватели кафедр, аспиранты, студенты, специалисты ДВЖД, других производственных, проектных и научных организаций Ряд новых способов устранения и предупреждения деформаций разработан в соавторстве со специалистами ВНИИЖТ, ЦНИИС и ДВЖД, а нормативно-технических документов - совместно со специалистами МИИТ, ВНИИЖТ, НИИЖТ, Главного управления пути МПС России, ЦНИИС

Исследования в 1982-2006 гг проводились по проблемам транспортного комплекса в рамках Межвузовской региональной научно-технической программы «Решение комплексных проблем развития Дальнего Востока», раздел 3 «Проблемы транспортного комплекса» Отраслевые научно-технические программы по обследованию земляного полотна восточного участка БАМЖД реализованы в соответствии с Указанием МПС и МИНТРАНССТРОЯ от 31 03 87 г, А-1932у/Мо-354 и Указанием МПС от 06 11 87 г, 25ЦЗ «Способы стабилизации деформирующихся насыпей, расположенных на протаивающих основаниях из вечномерзлых грунтов», а также по

планам фундаментальных НИР МПС России и ОАО «РЖД» в период 2000-2006 гг Результаты исследований включены в 2 нормативных документа

Часть из предложенных противодеформационных мероприятий, разработанных в соавторстве и самим автором в течение 1984—2006 гг, защищены авторскими свидетельствами и патентами (14 шт) и 1 свидетельством на полезную модель Многие проектно-технологические решения, разработанные на их основе (всего 17), испытаны при производственных экспериментах на БАМ, ДВЖД, АЯМ, федеральной автодороге Чита-Хабаровск и на Чукотке, в том числе по программе ресурсосбережения с учетом специфических условий реконструкции и ремонта железных дорог Дальнего Востока в условиях вечной мерзлоты Разработанные и защищенные четырьмя патентами новые ресурсосберегающие технологии на основе местного минерального сырья и технологии «СЕТКОН» просчитаны для ЗАБЖД и ДВЖД, внедрены на ДВЖД (ПЧ-27, ПЧ-5, ПЧ-16, ПЧ-22) Экономический эффект технологии «Сеткон» составляет 860 тыс руб /год, укрепляющих композиций - до 1млн руб / км Для внедрения укрепляющих композиций на ДВЖД в 2002 г составлен бизнес-план Разработанные в соавторстве по инициативе автора многофункциональные технологии на основе укрепляющих композиций из местного минерального сырья, удостоены одной золотой и двух серебряных медалей, в том числе на международной выставке в Москве (VI салон инноваций и инвестиций) в феврале 2006 г, разработка отмечена в международном каталоге Разработанная в соавторстве многофункциональная технология «Сеткон» экспонировалась на отраслевой выставке «Современные и перспективные техника и технологии железнодорожного транспорта России» (Москва, 2002 г), испытана в производственных условиях, защищена патентом Разработанный новый принцип диагностики состояния грунтов земляного полотна и реализованный совместно с НПФ «ИН-КО» при разработке экспериментальных образцов приборов диагностики «СДСГ - 1Э» и «СДГ-М», защищен патентом.

Новые теоретические разработки и практические результаты исследований, полученные автором, внедрены в период 2001-2006 гг в учебный процесс при подготовке студентов строительных специальностей в ДВГУПС разработано два учебных пособия (одно - в соавторстве).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 69 научных трудах, в том числе 2 монографиях, 14 изобретениях и 1 полезной модели

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, 5 глав и основных выводов, списка использованных источников и приложения Работа содержит 459 страниц машинописного текста, 158 иллюстраций, 12 таблиц Список литературы содержит 243 наименования.

Основное содержание диссертации.

Во введении характеризуется объект исследования, сформулирована цель исследования, перечислены основные результаты исследований, которые выносятся на защиту.

Первая глава посвящена комплексному анализу проблем обеспечения стабильности земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты Эта проблема актуальна в связи с высокой деформативностью земляного полотна на оттаивающих вечномерзлых грунтах и большими затратами при его эксплуатации, а также в связи с предстоящим вводом в обращение поездов увеличенной массы и грузовых вагонов с повышенной осевой и погонной нагрузкой Кратко изложена история мерзлотных исследований, связанных с проектированием и строительством земляного полотна железных дорог в условиях вечной мерзлоты в Забайкалье и на Дальнем Востоке Многочисленными исследованиями установлены основные закономерности температурного режима, влажности, характера деформаций после устройства земляного полотна Однако в настоящее время недостаточно раскрыты причинно-следственные связи процессов, сопровождающих развитие деформаций земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты из-за их разрозненности

Большой вклад в решение проблем, связанных с проектированием, строительством и эксплуатацией земляного полотна в условиях вечной мерзлоты внесли известные ученые и специалисты М И Сумгин, М И Евдокимов-Рокотовский, Н С. Богданов, А В Львов, НИ Быков, ПН Каптерев, А В Ливеровский, И Я Баранов, В А Кудрявцев, В С Лукьянов, И А Некрасов, Г М Шахунянц, Б И Цвелодуб, Н А Перетрухни, Н Д Меренков, М Н Гольдштейн, А А Цернант, Г П Минайлов, В В Гулецкий, П И Дьщышко, В В Пассек, Н А Цуканов, Г Н Жинкин, С М Большаков, Г С Переселенков, Б И Солодовников, И В Прокудин, И А Грачев, В А Дер-бас, А Г Полевиченко, ЕА Румянцев, ИИ Сахаров, ТГ Яковлева, ЕС Ашпиз, В Г Кондратьев, В В Соколов, А П Яриз, А В Бушин, А Б Солодовников, С Н Юсу-

пов, Ю С Палькин, Э М Добров, А Я Тулаев, В Д Казарновский, Л Н Хрусталев, М Н Железняк, В П Титов, В В Шолин, Е А Бойцов, В М Макаров, Н И Хвостик, В А Позин, ТВ Потатуева, А И Ярмолинский, В А Крапивный, В В Воронин, D М Anderson, Skaven-Haug S V, Orama R, Joynt M I, W Lazinski, S Taber, G Beskow, Fuqiang J, Casagrande А, Coohng L P, Nakayama T и мн другие

При анализе эксплуатационных данных ЗАБЖД и ДВЖД установлено, что протяженность земляного полотна, подверженного деформациям, а также неисправных водоотводных сооружений превышает среднесетевые значения в 2-5 раз В частности, в среднем эта разница составляет по Северному широтному ходу почти в 5 раз, на ЗАБЖД - в 2,7 и на АЯМе - в 3,4 раза Совместно с этим проанализирован ряд общих и частных проблем сооружения и эксплуатации геотехнических систем (ГТС) «земляное полотно-основание» Этот анализ включает в себя причины повышенной деформативности, нормативно-техническую базу, современные средства и способы диагностики, состояние мерзлых и оттаивающих грунтов, эффективность ранее реализованных противодеформационных мероприятий (ПДМ) и другое

Земляное полотно БАМ (Северный широтный ход от Хани до Постышево с линиями Бам - Тында - Беркакит и Известковая - Ургал), ЗАБЖД (на участке Петровский Завод - Шимановская) и АЯМ (на участке Беркакит - Томмот) находятся в суровых природно-климатических условиях Лето - короткое, зима - холодная и малоснежная Среднегодовая температура воздуха составляет - -4,7 °С --6,7 °С Среднегодовая температура поверхности грунта-5,0-7,0° С Среднегодовое количество осадков - 500-900 мм Среднесуточная солнечная радиация, в среднем, составляет 187 Вт/м2 Ориентировочная мощность вечномерзлых грунтов - 40 - 70 м Температура грунта на глубине нулевых амплитуд —0,1 -2,5° С

В данных условиях в результате взаимодействия земляного полотна с вечно-мерзлыми грунтами и их последующим оттаиванием на значительном протяжении происходят неравномерные осадки и расползания насыпей Помимо этого проявляются просадки пути, пучины, сплывы и оползания откосов, обводнения на термокарстовых понижениях На Северном широтном ходу ДВЖД протяженность осадочных мест составляет более 80 % от протяженности осадочных мест на ДВЖД По сравнению с 2000 г она возросла почти на 10 %, в настоящее время составляет более 25 % от общей протяженности линии На некоторых дистанциях

пути Северного широтного хода осадкам земляного полотна на оттаивающих веч-номерзлых грунтах подвержено до 40 % их протяженности, на эксплуатируемом участке АЯМа (Беркакит-Томмот) - около 26 % протяженности линии На де-формативность земляного полотна влияют неисправности водоотводных и водопропускных сооружений, что приводит к обширному обводнению прилежащих к земляному полотну участков Нормы по содержанию земляного полотна и искусственных сооружений для условий южной зоны вечной мерзлоты не отражают реального положения и требуют корректировки По данным 90-х гг МИИТа и ХабИИЖТа, на участках деформаций расход балласта больше, чем на стабильных участках, в 4-12 раз Нормы затрат труда должны закладываться с коэффициентами не менее 1,3-2,4 Для обоснования норм необходимо иметь данные мониторинга и прогноза деформативности земляного полотна в условиях возрастающей грузонапряженности Недостаточная изученность проблемы, слабая информированность о результатах последних научных разработок при проектировании, отступления от проектных решений, использование материалов, не удовлетворяющих стандартам, низкое качество усиления земляного полотна усложняют эксплуатацию земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты

Основной причиной длительных деформаций земляного полотна, сооружаемого на вечномерзлых грунтах, является нарушение их температурно-влажностного режима. Техногенное воздействие земляного полотна как линейного сооружения, вибродинамические нагрузки от поездов, а также путевых машин во время выполнения ремонтов способствуют потере несущей способности этих грунтов при оттаивании При увеличении этих нагрузок осадки интенсифицируются Для обеспечения стабильного состояния рельсовой колеи по уровню, в продольном профиле и плане необходимо предусматривать выполнение противодеформационных мероприятий, проектированию которых и посвящена настоящая диссертационная работа

Возникновению деформаций способствуют ошибки при проектировании Замена водопропускных сооружений некоторыми мелиоративными и другими конструктивными мероприятиями как на БАМ, так и на АЯМ привела к возникновению деформаций практически сразу же после строительства Как показала практика дальнейшей эксплуатации, ошибочными были следующие решения- объединение бассейнов, особенно на участках малосточных марей, отвод русел, засыпка

их дренирующим грунтом, устройство водоотводных валиков из дренирующих грунтов вместо канав и лотков, устройство берм из дренирующих грунтов В условиях повышения грузонапряженности осадки вновь интенсифицируются, что требует совершенствования норм текущего содержания пути

Недостаточные знания специфики эксплуатации земляного полотна на вечно-мерзлых грунтах приводят к тому, что данные об осадках и пучинах существенно отличаются в зависимости от источника информации Эти сведения противоречивы во-первых, по указанию причин деформаций, и, во-вторых, по местонахождению, что можно объяснить тем, что долгие годы земляному полотну не уделялось должного внимания Вследствие этого многие причины деформаций на конкретных участках до сих пор не до конца выявлены, проанализированы и систематизированы, начиная с момента строительства БАМа, а общепринятая система проектирования при усилении, реконструкции земляного полотна в этих условиях не всегда позволяет добиться положительного результата

Система проектирования должна основываться на исходных данных, расчетах и технико-экономическом сравнении вариантов по приведенным затратам (капитальные вложения на усиление земляного полотна и эксплуатационные расходы) Анализ исходных данных требует научного решения комплекса проблем, без которых в условиях вечной мерзлоты общепринятая система проектирования не позволяет обосновать целесообразность того или иного проектного решения и добиться гарантированного положительного результата

В целом диссертационной работа направлена на совершенствование существующей системы проектирования земляного полотна с использованием в качестве основы функционально-системного подхода

Вторая глава посвящена исследованию причин незатухающих деформаций земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты

Для исследования причин деформаций были оборудованы экспериментальные объекты и разработаны методики исследований Для усовершенствования существующей системы проектирования в южной зоне вечной мерзлоты предложено использовать функционально-системный подход, который включает следующие основные этапы (рис 1)

Рис 1 Алгоритм реализации функционально-системного принципа как методологической концепции проектирования земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты ТДР - термодинамическое равновесие, ТВР - термо-влажностный режим, ТГФ - техногенные факторы, ПКФ - природно-климатические факторы, Гф - генетический фактор, МГУ, О, Ь - инженерно-геологические, гидрогеологические, гидрологические, топографические условия

1 Получение исходных данных для проектирования усиления (реконструкции) земляного полотна эксплуатируемых линий, а также земляного полотна новых линий и дополнительных главных путей, поиск и анализ объектов-аналогов

2 Анализ причин деформаций земляного полотна на отшивающих вечномерз-лых грунтах на основе изучения процессов и явлений и установления основных закономерностей стабилизации (с учетом расчетно-теоретического прогноза его теплового влияния)

3 Расчетно-теоретическое обоснование влияния различных факторов на механизм возникновения, развития и затухания деформаций ГТС.

4 Разработка научных принципов систематизации технических решений для предупреждения и устранения деформаций (с учетом основных закономерностей стабилизации земляного полотна на оттаивающих вечномерзлых грунтах)

5 Дополнение информационной базы новыми конструктивно-технологическими решениями и частными методиками, позволяющими осуществлять наиболее прогрессивные проектные решения

6 Прогноз и учет теплового влияния конструктивно-технологических решений на стабильность ГТС при проектировании объектов строительства, усилении (реконструкции) земляного полотна эксплуатируемых линий

7 Технико-экономическое обоснование принимаемых технических решений на основе типизации деформаций по степени их опасности.

8. Разработка методики принятия проектно-технологических решений, использующей принципы функционально-системного подхода, на уровне их практической реализации (на примере восточного участка БАМ)

Комплексный анализ причин возникновения, развития и затухания деформаций выполнен для годовых и многолетних циклов, начиная с нарушения теплообмена в грунтах основания земляного полотна при его сооружении до установления постоянного термодинамического равновесия в ГТС

В процессе многолетних натурных исследований получены новые результаты.

установлены закономерности формирования суммарной осадки насыпей и глубины протаивания оснований для южной зоны вечной мерзлоты, а также составляющие суммарной осадки и интенсивность протаивания оснований насыпей в многолетнем цикле,

механизм протекания криогенных процессов и характер поведения ГТС с момента оттаивания до их полного промерзания,

температурный режим грунтов насыпей и основания при различных сроках эксплуатации в годовом и многолетнем циклах,

этапность развития деформаций и момент относительной стабилизации, связанный с формированием непромерзающей в годовом цикле таликовой зоны в основании, включая сам момент перехода в затухающий режим,

механизм формирования таликовой зоны и его значение в процессе стабилизации ГТС и установлении термодинамического равновесия,

влияние противодеформационных конструкций на изменение величин знакопеременных процессов, вызывающих смещение земляного полотна в плане и просадки - в профиле, а также на процесс стабилизации в многолетнем цикле,

влияние внешних факторов природно-климатических, вибродинамического и фильтрационного на динамику развития деформаций

Анализ результатов исследований осуществлялся с учетом материалов исследований ученых и специалистов общего и инженерного мерзлотоведения В А Кудрявцева, МН Гольдштейна, НА Цытовича, НЕ Зарубина, И А Тютюнова, С С Вялова, Ю К Зарецкого, И 3 Лобанова, Э Д Ершова, В И Пускова, И В Про-кудина, А М Пчелинцева, П И Дыдышко, Г П Минайпова, В.А. Дербаса, А Г По-левиченко, ТГ Яковлевой, ЕС Ашпиза, ЕА Румянцева, Б И Солодовникова, И И Сахарова, А Б Солодовникова, А А Цернанта, В И Грицыка, В В Пассека, Н А Цуканова, А И Абросимова, А И Ярмолинского, Г М Стояновича, А А Пи-отровича, С А Кудрявцева и многих других

Автор приносит глубокую признательность главному инженеру В А Крапивному и бывшему главному инженеру службы пути В В Воронину ДВЖД филиала ОАО РЖД за помощь и поддержку при заявке тематики исследований по БАМу и реализации новых разработок с их участием

Результаты многолетних натурных исследований на экспериментальных объектах восточного участка БАМ позволили обосновать причины длительного деформирования насыпей на термопросадочных участках и наметить выбор противодеформационных мероприятий для ускорения его стабилизации с использованием системной модели управления тепловым режимом грунтовых массивов А А Цернанта.

Одним из выводов выполненных исследований заключается в том, что продолжительный период стабилизации земляного полотна состоит из трех главных этапов нарушения термодинамического равновесия в геотехнической системе «земляное полотно - вечномерзлое основание» (до 7-10 лет), восстановления термодинамического равновесия за счет формирования непромерзающей талико-вой зоны (11-25 лет), установления термодинамического равновесия, относительной стабилизации (>18-20 лет)

Интенсивные, до 200 мм/г и более осадки земляного полотна, происходящие в течение первых 18-20 лет эксплуатации в дальнейшем переходят в менее интенсивные, до 40-50 мм в год, которые длятся десятилетиями Расходы балласта для компенсации осадок, в зависимости от категории термопросадочнос-ти оттаивающих вечномерзлых оснований ГТС, составляют от 65 м3/км до 900 м3/км При этом полная стабильность не наступает

Многолетние исследования для установления закономерностей протаивания -осадки и причинно-следственных связей процессов и явлений в ГТС при взаимодействии земляного полотна с вечномерзлыми грунтами проводились с помощью режимных наблюдений на 5 объектах-аналогах различного срока эксплуатации на Этыркэнской дистанции пути (перегон Этыркэн-Амган, км 3166-3172; Туюн-Стланник, км 3121-3124), на Ургальском узле (61-й, 62-й, 63-й , 81-83-й соединительные пути вытяжных треугольников), на Амгуньской дистанции пути (перегон Могды-Орокот, Уркальту-Джамку) Преимущественно это маревые участки, расположенные на 2-ых надпойменных террасах рек, соответственно, Туюн, Бурея, Амгунь Температура вечномерзлых пород на глубине нулевых амплитуд годовых колебаний составляет -0,5 (Февральск). 1,8 °С (Этыркэн) . - 0,5°С (Ургал) - 1,0°С (Могды) - 0,5°С (Джамку) Глубина деятельного слоя составляет от 0,5 до 2,0 м Грунты представлены в верхней части торфом, ниже - слоем суглинка (чаще, оторфованного) или супесью с дресвяно-щебенистыми включениями

Как наиболее характерные, проанализированы данные наблюдений за насыпями в пределах вытяжных треугольников Ургальского узла (ПЧ-29) и на участке 3166 - км 3173 кмкм Этыркэн - Амган Пути вытяжных треугольников расположены на второй надпойменной террасе реки Бурея, представляющей кочковато-моховую марь Это

объекты-аналоги различного срока эксплуатации 63-й соединительный путь построен в 1976 г, 61-й соединительный путь - в 1984 г, 62-й - в 1940-1953 гг, присыпка к нему второго пути (вытяжного) - в 1985 г, 81-83-й соединительные пути - в 1975 г В 1976 году при возведении насыпи 63-го соединительного пути сотрудниками ХабИИЖТа и ЦНИИСа были оборудованы опытные участки Для наблюдений были заложены глубинные осадкомеры, по контуру насыпи на опытных поперечниках установлены поверхностные марки В земляном полотне и на прилегающей незастроенной территории были оборудованы термометрические скважины В 1988 г под руководством автора были оборудованы для наблюдений 61-й и 62-й соединительные пути и дооборудован 63-й путь, с также экспериментальный участок на 3164-3171 кмкм Эгыркэн - Амган, дополнительно, для установления причинно-следственных связей между процессами в ГТС, были установлены сдвигомеры (13 шт), марки - «ерши», термометрические скважины Обработка результатов осуществлялась с помощью разработанных методик. В частности, совместно с аспирантом А Ю Стрелковым разработана методика обработки результатов многолетних температурных наблюдений с помощью «температурных полей», позволяющая давать мониторинговую оценку происходящим тепловым процессам в ГТС По результатам наблюдений откорректированы и получены расчетно-теоретические зависимости суммарной осадки

Э = 0,37-у/(х - 3)+ 0,32 , (1)

глубины протаивания оснований на расчетный год

Ипр =1,13^-3) (2)

и конечной глубины протаивания на период затухания деформаций

•V—+н, (3)

где х - период времени от момента возведения насыпи (при Т >3 лет), ш, В, Н -коэффициент откоса, ширина основной площадки и высота насыпи

На основе полученных зависимостей разработана методика прогноза деформаций насыпей, которая учитывает влияние криогенных процессов на определенных этапах стабилизации ГТС и позволяет осуществлять обоснованный выбор противодеформационных мероприятий

Через 3-4 года по завершении в основном начальной просадочности от вытаи-вания ледяных прослоев наступает длительная просадочность, обусловленная выдавливанием слабых оттаивающих грунтов из под насыпи Она реализуется при всех видах глинистых грунтов основания независимо от категории начальной просадочности

Известно, что в процессе оттаивания мерзлых грунтов и при промерзании наблюдается формирование трех зон талой, оттаивающей и мерзлой Установлено, что в этих зонах происходят такие обратные процессы, как «тепловая» осадка и пучение, усадка и набухание, отжатие и всасывание поровой влаги, пучение за счет сегрегационного льдонакопления и осадка из-за пластических деформаций При этом в общем случае, среднегодовая осадка грунтов основания является результатом разности следующих знакопеременных деформаций осадки распученных грунтов тела насыпи, осадки распученных грунтов основания, распучивания фунтов основания после полного протаивания за счет набухания и сегрегационного льдовыделения в мерзлой зоне, «тепловой» осадки грунтов основания, консолидированной осадки оттаивающих грунтов под собственным весом и от динамического воздействия подвижного состава, осадки, связанной с влиянием вибродинамического воздействия подвижного состава на прочностные характеристики грунтов и пластического выдавливания слабых грунтов основания, осадки за счет дополнительной осадки грунтов основания в результате увеличения вибродинамического воздействия подвижного состава, путевых машин и последующего «растепления» грунтов, осадки, вызванной отжатием влаги из основания насыпи в результате гидростатического ее обжатия между промерзающими слоями основания, пучением промерзающих грунтов насыпи и основания, усадки обезвоженных грунтов в процессе распучивания Все перечисленные процессы в грунтах оснований протекают при определенном температурно-влажностном режиме

В частности, за период многолетних исследований процесс формирования суммарной осадки насыпи полностью удалось отследить при наблюдении за 63-м соединительным путем (возведен в 1976 г ) В период эксплуатации, в природных циклах промерзания-оттаивания происходило изменение положения верхней границы вечно-мерзлых грунтов, а в 2000 г при возвратно - временном (знакопеременном) деформировании грунтов в основании под насыпью 63-го соединительного пути сформиро-

вался постоянный (квазистационарньш) режим образовалась зона талого фунта (талик), толщиной около 2 00 м (рис 2) Образование талика как процесса формирования квазистационарного режима было зафиксировано автором в 1993 г Факт наличия не-промерзающей в годовом цикле таликовой зоны в основании ГТС был отмечен в 60-х гг Е А Румянцевым (при разбуривании скважин в земляном полотне в Забайкалье) и в 70-х гг сотрудниками НИЛ «Основания и фундаменты» ХабИИЖТа и Дальгипрот-ранса (при бурении скважин на линии Известковая - Ургал, руководитель НИР А.Г Полевиченко). Деформации насыпей в летний период связаны с набуханием фунтов и сегрегационным льдообразованием в мерзлой зоне Вспучивание за счет набухания фунтов наблюдаются до конца июня, а максимальное вспучивание насыпи за счет сегрегационного льдонакопления (до 20 мм) наблюдается в третьей декаде августа в момент полного протаивания основания (когда нулевая термоизоплета доходит до фаницы с вечномерзлыми фунтами) Это обусловлено набуханием фунтов, которое происходит за счет всасывания влаги, образующейся при фазовых переходах льда в воду Логично, что на участках, где сформировалась таликовая зона в основании, вспучивание в августе не наблюдается, а наступает «пауза» (деформации временно приостанавливаются) Осадка, связанная с отжатием влаги и тончайших частиц под действием мощного гидростатического давления, возникающего в фунтах основания меящу промерзающими слоями в результате мтрации влаги к фронту промерзания и увеличения ее в объеме, наблюдается со второй декады ноября по декабрь и составляет до 20 % от суммарной сезонной осадки В мае-июне под действием сил осмоса обезвоженное за зимний сезон фунтовое основание в начале лета всасывает влагу вместе с частью тех же взвешенных частиц фунта, которые выжались под действием вышеуказанных сил По результатам исследований автора, эти тончайшие частицы участвуют в формировании температурного режима оснований При этом в весенне-летний период возвращается около половины этих частиц Вступая в реакцию с катионами Иа+, глинистые частицы образуют теплостойкую структуру (логическое заключение автора) Этот процесс происходит при строго определенной температуре и влажности Интенсивные деформации насыпи продолжаются до тех пор, пока в основании насыпи (ниже фаницы сезонного промерзания), не сформируется непромер-закмцая в годовом цикле таликовая зона. Процесс протекает очень медленно По опыту наблюдений за экспериментальными насыпями таликовая зона образуется в фунтах 3-й и 4-й категорий термопросадочности через 13-25 лет Нижняя фаница та-

Рис, 2. Форм пронание тал иконой тоны к опаивающем üei гавани и н чпоголешсм цикле

ликоной зоны а районах Забайкалья и БЛМа (при нысотс насыпай 1 т5—4,0 м) формируется из глубине 3,5-5,5 м от дневной поверхности. «Талик» янЙяется «заживляющим», переходным (демпфирующим или выравнивающим температурный режим) слоем между печной мерзлотой и инженерным сооружением. Геплофиз ические расчеты, выполняемые для сооружений, находящихся более 20 лет и эксплуатации, должны учитывать влияние формирования переходного сдоя (образования талика) на дальнейшее термодинамическое равновесие р П С!.

Самые незащищенные тоны у насыпи находятся в при подошвенной части. Те-гшопотеря в грунтах ириподошвенных зон происходит значительно медленнее, чем в насыпи, Отжатие влаги из оснований и пластическое выдавливание слабых фунтов после образования тал и ко ион зоны происходят в оттаивающей прослойке но Гранине сезонной и вечной мерзлоты.

Исследовано влияние различных факторов на формирование температурного режима ГТС. в частности, вибродинами ческа го: путевой техники и поездов, природно-климатических, техногенных, связанных с сооружением пйоти во деформационных конструкций и выполнением выправочных работ.

Выполненные исследования позволили сделать следующие выводы: на режим восстановлении термодинамического равновесия в. ГТС оказывают влияние различные факторы, вызывающие длительную лросалочность грунтов ГТС: природио-кэдиэтические, от вибродинамической нагрузки и др. В частно-

ста, установлено, что существует прямая связь принадлежности отдельных видов деформаций к той или иной природно-климатической зоне, в том числе пучин и осадок земляного полотна,

выбор противодеформационных мероприятий (ПДМ) должен осуществляться с учетом основных закономерностей стабилизации геотехнической системы (ГТС) «земляное полотно-основание» и способствовать ускорению стабилизации ГТС,

при обосновании проектных решений необходимо (учитывая негативное влияние на ГТС увеличения вибродинамической нагрузки как неизбежного фактора), рассматривать варианты увеличения мощности дороги для условий тяжеловесного движения, в отдельных случаях, ее перевооружения (двухпутные вставки, вторые пути)

Наличие исходных данных (в зависимости от их полноты) и цели (технического задания) позволяет с использованием функционально-системного принципа (рис 3) осуществить рациональный выбор вариантов с учетом стадийности и этапов проектирования земляного полотна при усилении (реконструкции) существующих линий, строительстве новых линий и дополнительных путей в районах вечной мерзлоты на основе диагностики, прогноза деформативности ГТС, ранжирования деформирующегося земляного полотна по степени опасности, выбора и принятия надежных и экономически выгодных проектных решений по обеспечению их устойчивости в период длительной эксплуатации

Третья глава посвящена проблеме усиления и реконструкции земляного полотна - выбору и принятию проектно-технологических решений в условиях южной зоны вечной мерзлоты с учетом увеличения мощности дороги при тяжеловесном движении

При выборе противодеформационных мероприятий необходимо знать главную причину деформирования земляного полотна в рассматриваемый период времени Как отмечено в главе 2, закономерности стабилизации (протаивание и осадка) ГТС определяют величину и интенсивность деформаций земляного полотна. Продолжительный период стабилизации связан с закономерным проявлением физических процессов в системе «земляное полотно - вечномерзлое основание» Поэтому способы стабилизации, в зависимости от особенностей сложившихся мерзлотно-грунтовых условий в основании земляного полотна,

должны быть направлены на изменение следующих процессов дополнительное замораживание грунтового основания или его оттаивание (в зависимости от толщины деформирующегося слоя), уменьшение градиентов температур (стабилизацию температурного режима) в основании; предотвращение деформаций, связанных с сезонным промерзанием-оттаиванием грунтов насыпи и основания, ликвидацию пластических деформаций

Методологическая схема выбора вариантов проектирования

Обходы

Реконструкция

II -х путные вставки, II пути

т

;

/ \

Разработка

проектов

к. ^

Новое строительство

Алгоритмы вариантов проектирования

вариант - новое строительстве (нет объектов - аналогоЕ) используем все

©элементы цепи стадии разработки ТЗО ТП РП

вариант - (имеются объесть - аналоги) усиление реконструкция новое строительстве стадии разработки ТП РП Р1-^н^ вариант - повышение грузонапряженности БАМг (аналоги имеют») Р1-

Рис 3 Принципиальная схема выбора вариантов проектирования земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты

Автором предложено две схемы рационального выбора противодеформацион-ных мероприятий с учетом выявленных закономерностей стабилизации ГТС в условиях эксплуатации (рис 4) и при строительстве При выборе противодефор-мационных мероприятий в проектах строительства необходимо учитывать возможность отвода поверхностной и фунтовой воды от тела земляного полотна и толщины слоя грунтов, подвергающейся деформациям Рекомендуемые мероприятия по усилению земляного полотна целесообразно осуществлять с помощью проверенных в натурных условиях конструктивно-технологических мероприятий, таких как теплоизоляция из пенопласта, синтетического нетканого материала (СНМ) и древесных отходов, сортированных скальных грунтов, дренажно-охлаждающих, например, с использованием индустриальных рамных водоотводных лотков, водоотжимных берм из мелкодисперсного фунта; укрепляющих фунтово-минеральных композиций

Характеристика этапов и периодов стабилизации насыпей ЭТАПЫ И ПЕРИОДЫ СТАБИЛИЗАЦИИ НАСЫПЕЙ

1 этап нарушение термодинамического равновесия II »топ восстановление термодинамического равновесия Шатен установление термодинамического равновесия

7 10 лет 11 25 пет Период снижения интенсивности и Период затухания ä 25 лет (

Кривая развития и затуха ния деформаций

Способы стабилизации насыпей Цель приме нения Сохранение мерзлотного режима (I принцип) Восстановление и усиление мерзлотного режима (I принцип) Выравнивание устанавливающегося температурного режима Поддерживание установившегося температурного режима обеспечение стабильности насыпей

Лихведация мерзлотного режима {II прищип)

Рекомендуемый способ | 1 принцип Обсыпка откосов из скального грунта мощностью более 0 8м Проветриваемые дренажные лотки 1 Клеще образные обоймы из скального грунта 2 Проветриваемые пзтхи и каналы со скальной обсыпкой откосов 3 Скальные бермы с обсыпкой отхосов из сортированного камня толщиной Н > 0 6 м (на льдо гоунтах) 1 Проветриваемые дренажные лотки и каналы СОУ с тепловой изоляцией откосов 2 Самоукраппяющиеся контрфорсы в приподошвенных зонах в сочетании с покрытиями откосов укрепляющими композициями из минеральных фунтов 3 Дренажные траншеи из камня и СНМ в подошвенных зонах в сочетании с теплоизолирующими покрытиями откосов полимерными пенами пенолластами укрепляющими композициями

Полые Z образные плиты проветриваемые покрытия на откосах в сочетании с СОУ (при обеспеченном водоотводе)

S о. Гидравлическое оттаивание фунтов основания при мощности слабой толщи ДОЗО 40м Армирование лриподошаекных зон Устройство водоотжимных берм из мелкодисперсных фунтов с поперечными дренажными прорезями 1 Проветриваемые каналы и прорези с дреной из СНМ опилок и щебня 2. Устройство комплексов противодеформационных мероприятий с использованием технолога Сетхон 3. Устройство водоотжимных берм из мелкодисперсных фунтов с поперечными дренажными прорезями

Термодренажи, бермы покрытия откосов с использованием композиций из минерального грунта

Рис 4 Схема рационального выбора противодеформационных мероприятий на высокотемпературных вечномерзлых грунтах (в условиях эксплуатации)

Результаты многолетних наблюдений подтверждены расчетами температурного режима по профамме В В Пассека, разработанной в центральной теплофизической лаборатории ЦНИИС Ранее, в 1986 г, выполненный в этой лаборатории прогноз

температурных полей для экспериментальной насыпи на вытяжном треугольнике Ургальскош узла с конструкцией из пенопласта, СНМ и древесных отходов, защищенной совместно с ВНИИЖТ, ЦНИИС, ТМС и ХабИИЖТ, был подтвержден многолетним мониторингом Выполнен теплотехнический расчет влияния разработанных конструктивно-технологических решений на вечномерзлое и протаивающее основание земляного полотна для его усиления, реконструкции и при строительстве вторых путей в южной зоне вечной мерзлоты

В результате сооружения земляного полотна происходит изменение условий теплообмена, существовавшего на поверхности до начала строительства

Условия теплообмена насыпи и основания с наружным воздухом характеризуются приведенными значениями коэффициентов теплообмена 0СпР

Формы учета теплового влияния на земляное полотно могут быть следующие борьба с вредным влиянием (т е когда тепловое влияние в данных условиях является вредным), учет вредного влияния, использование полезного влияния Решение может быть осуществлено двумя путями разработкой конструктивно-технологических решений или учетом теплового влияния конструктивно-технологического решения Для стабилизации температурного режима оснований применяют различные мероприятия, направленные на изменение конфигурации поперечного сечения земляного полотна, на глубинное охлаждение оснований с помощью охлаждающих устройств, на регулирование состава и расположение грунтовых слоев в насыпи (например, торф, скальный грунт и др )

При промерзании-протаивании грунтов происходит перемещение во времени и в пространстве границы раздела фазовых состояний грунта - мерзлого и талого, при этом процесс может быть описан известной системой дифференциальных уравнений

ЪТ,

Эг дх

ЭТт Э „ С//Т

61 ах

дх дх

(4)

Тм ~Тт - Т3

3 2 1 - п ---У

эту _ ^ К П = п3(*),

дп Л )

где с„, сг - теплоемкости соответственно мерзлого и талого грунта, , — коэффициенты теплопроводности соответственно мерзлого и талого грунта, Тм,Тг,т3 - соответственно температура в мерзлой зоне, талой зоне, температура замерзания, п3(1) - координата фронта промерзания, <2 - скрытая теплота при фазовых переходах, г - время

В данной работе для численного решения задачи (4), известной как задача Стефана, применен метод элементарных балансов

Метод элементарных балансов предполагает разбивку пространства на блоки, а времени - на временные шаги Непрерывный во времени нестационарный процесс теплопередачи заменяется последовательным решением стационарных процессов на каждом временном шаге, при этом первое и второе дифференциальные уравнения (5) заменяются разностными уравнениями, которые имеют вид

(Си]Л К 1К) '•>* ^ ^г-Ш-Т^Л ^ (5)

где 1,],к- номера блоков, С1/к- объемная теплоемкость материала блока ) Л, вуЛ-размеры блока (,_,,) в трех направлениях; и тд - сред-

ние температуры блока (, ) соответственно в начале и в конце временного шага, и т д - термическое сопротивление между блоками ]к) и (к) и т д

-!ь=1-+-^-, (6)

2 К-1]к в] к 2 в] 1к

где коэффициент теплопроводности блока, л - длительность временного шага

Для проведения численных расчетов при теплофизических исследованиях применен разработанный в Центральной лаборатории инженерной теплофизики ОАОЦНИИС комплекс программ

Идентификация численного моделирования осуществлялась путем сравнения с результатами натурных наблюдений Использовались натурные наблюдения за температурами в ГТС на различных участках железных дорог Известковая-Ургал, Тында-Комсомольск и Бамовская-Тында

Для получения конкретных результатов расчета недостаточно только закона распространения тепла внутри Для описания теплового процесса в реальном теле конечных размеров следует ввести понятие "краевая задача"

Задача определяется шестью параметрами

1) геометрической формой и размерами твердого тела,

2) теплофизическими характеристиками материала (теплоемкость, теплопроводность, скрытая теплота при изменении фазового состояния, температура изменения фазового состояния). Если тело состоит из нескольких материалов, то должны быть заданы границы распространения этих материалов и теплофизиче-ские свойства всех материалов,

3) законом распространения тепла внутри тела,

4) начальными условиями, определяемыми зависимостью =/Тх), те должна быть задана температура тела во всех его точках (температурное поле) в момент начала рассчитываемого процесса

5) граничными условиями, которые могут быть трех видов

граничное условие первого рода, когда задается изменение температуры поверхности тела во времени ¡¡„а )=/,(! ),

граничное условие второго рода, когда тепловой поток задается к поверхности =/2<Ч.

граничное условие третьего рода, когда задается температура среды и условия теплообмена на границе я-^1 =«,(г яг,„(гы/г л

6) изменением температурного поля во времени.

Обычно решение краевой задачи сводится к нахождению 6-го параметра (изменение во времени температурного поля) на основании знания предыдущих пяти параметров (прямая задача) Но может решаться задача на основе знания остальных пяти (обратная задача)

Исследования температурного режима насыпей и их оснований выполнялись на ЭВМ путем решения задач в одно- и двумерной постановках по программам В В Пассека Для решения обратных задач также были использованы натурные данные многолетних наблюдений на опытных объектах На рис 5 приведены результаты математического моделирования температурного режима в насыпях

первого и второго пути после его досыпки на участке восточного участка БАМ и дан прогноз на длительный период эксплуатации Эти расчеты подтверждают результаты многолетних натурных наблюдений за положением верхней границы вечной мерзлоты и деформациями ГТС Насыпь второго пути в конкретных условиях при постоянных внешних факторах практически не повлияла на сформировавшийся температурный режим насыпи под основной площадкой первого пути Но присыпка земляного полотна под 2-й путь приводит к быстрому протаиванию основания насыпи в бок и в глубину со стороны присыпки Это требует принятия специальных мер по предотвращению возможных деформаций основания и земляного полотна, направленных на ограничение бокового подтока тепла и замедление скорости протаивания оснований под подошвой присыпанного массива

ГРАФИК ОСАДОК НАСЫПИ ■ВМ -400 -200 О.ОО 2,00 4 00 6.00"

Рис 5 Результаты режимных наблюдений и математического моделирования влияния присыпки второго пути

Расчеты показали, что в более суровых природно-климатических условиях, характеризующихся суммой градусо-суток более 3800 °С и отрицательных температур более 6 °С, в основании подлежащих реконструкции насыпей складываются благоприятные условия формирования температурного режима здесь в процессе многолетнего

протаивания вечномерзлых оснований образование таликовых зон не происходит, что обеспечивает стабильность земляного полотна

По результатам многолетнего мониторинга и выполненных расчетов приведены рекомендации для выбора противодеформационных мероприятий и конструктивно-технологических решений Основными из них являются на участках слабосточных марей - водоотжимные бермы из мелкодисперсных грунтов в комплексе с необходимым количеством малых водопропускных сооружений (фильтрующие насыпи, комбинированные с трубами фильтрующие насыпи с использованием технологии «Сеткон», трубы), на обводненных подходных к искусственным сооружениям участках - лотки рамного типа, «скальные обоймы», на участках жильных льдов - устройство водоотжимных берм и обсыпка откосов сортированной скалой, устройство тепловой изоляции из пенопласта, синтетического нетканого материала (СНМ) и древесных отходов, восстановление температурно-влажностного режима ГТС и укрепление откосов земляного полотна и водоотводов минерально-грунтовыми композициями ДВГУПС и другие

Для комплексной оценки происходящих процессов и явлений в оттаивающих вечномерзлых грунтах помимо изучения температурно-влажностного режима и связанных с ним деформаций выполнены исследования влияния вибродинамического воздействия подвижного состава и путевых машин на напряженно-деформированное состояние и пластическое течение грунтов ГТС

С указанной целью разработана методика, в которой использован программный комплекс метода конечных элементов Gemde 32 (авторы Н И Горшков и МА Краснов, ТОГУ), использующий метод конечных элементов и результаты экспериментальных исследований

Механизм взаимодействия элементов грунтовой технической системы (ГТС) «верхнее строение пути - земляное полотно - основание» при воздействии внешних факторов (в том числе воздействие вибродинамической нагрузки) можно оценивать количественно с помощью анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов системы в природных циклах промерзания-оттаивания на основе современных термомеханических моделей грунтов В то же время результаты выполненного мониторинга положения меняющихся границ оттаивания вечномерзлых грунтов с учетом известных физико-механических характеристик мерзлых и талых грунтов, дают возможность оценить прочность, устойчивость элементов системы, несущую способность основания в природных циклах про-

мерзания-оттаивания с помощью упругоплаетической модели грунтов, реализованной в программном комплексе Сепк1е32

Разработанная методика позволяет оценить состояние ГТС на расчетной схеме В расчетах НДС была принята нелинейная модель фунта на основе ассоциированного закона пластического течения с условием текучести по Кулону-Мору В этой модели, называемой моделью Друкера-Прагера, широко применяемой в расчетах фунтовых оснований и массивов фунтов всего используются четыре стандартных параметра фунта Е - модуль упругости (деформации), V - коэффициент Пуассона, с - удельное сцепление, (р - угол внутреннего трения Все используемые параметры определяются при испытаниях стандартными геотехническими приборами Эта модель удовлетворительно определяет несущую способность оснований инженерных сооружений, а также их устойчивость

При моделировании возведения насыпи задавали последовательную отсыпку слоями до проектной высоты Для выполнения условий неразрывности деформаций на фаницах контакта «нового» слоя насыпи с основанием и (или) «старым» слоем насыпи на каждом этапе моделирования устройства насыпи вводились компенсационные силы

Процесс моделирования предполагал следующую схему выполнения расчетов расчет начального напряженного состояния основания, расчет НДС при устройстве элементов конструкции насыпи, расчет НДС при изменении положения верхней фаницы вечномерзлых грунтов при заданных характеристиках материалов и фунтов в процессе эксплуатации насыпи

На каждом этапе моделирования выполнялся анализ и оценка прочности, несущей способности, устойчивости и деформируемости каждого элемента модели системы и всей системы в целом На последнем этапе моделирования прикладывалась и снималась расчетная поездная нафузка В качестве подвижной нафузки принят электровоз ВЛ-80 в голове фузового поезда при скорости движения 90 км/час Значение расчетной нагрузки принимали по опубликованным данным (Г М Стоянович, А В Прокудин, А К Черников), в которых приводятся результаты натурных измерений вертикальных напряжений под подошвой шпал Распределенная нафузка от поезда прикладывалась к нижней поверхности шпал на концах шпал - 97,38 кН/м, в подрельсовом сечении - 211,98 кН/м и на расстоянии 0,6 м от этих сечений - 0,0 кН/м

Оценка прочности дисперсного грунта и материалов в узлах или конечных элементах (КЭ) расчетной области выполнялась по значению коэффициента запаса прочности (Тер-Мартиросян 3 Г, Ахпателов Д М, 1969), имеющего вид

кяг= ти/т =2тгаахсо8ф/[с+1д<р(о1+о3-2тгаа>181п<р)], (7)

где Тщах - максимальное касательное напряжение, с - удельное сцепление, <р - угол внутреннего трения

Оценка прочности выполнялась по известному условию в зависимости от коэффициента запаса прочности (Мгалобелов Ю Б, 1979), выведенного из условия прочности Кулона-Мора для прямолинейной огибающей поверхности текучести (след поверхности в плоской системе координат)

кт = (2/(<т, -(Т3с), (8)

где 1§ф=(1-п)/(2"^п), с=0 5Кс^п, п=К1/11с, ^и^ - пределы прочности на одноосное сжатие и растяжение соответственно

Кроме этого, оценку прочности можно также выполнять по известному условию <Уц <[о,,], где оц и [оч] - расчетные и предельные (допускаемые) значения компонент тензора напряжений, например, допускаемое напряжение сжатия в подрельсовом основании [с0] или пределы прочности сплошных материалов на одноосные растяжения или сжатия ^.нт п

Оценка несущей способности грунтов основания может быть выполнена по различным графикам, связывающим напряжения, относительные деформации и смещения

Стандартное условие оценки несущей способности имеет вид Р<Р„, где И и Р„ -расчетная несущая способность грунта основания и предельное значение силы сопротивления грунта основания

Условие оценки устойчивости записывается в следующем стандартном виде

где кя и [ка] - расчетное и нормативное (требуемое) значение коэффициента запаса устойчивости

В программном комплексе есть возможность вычисления км по семи наиболее известным методикам оценки устойчивости, включая вариант Г М Шахунянца Значение нормированного коэффициента запаса устойчивости для железнодорожного пути III категории принято равным [кя] =1,15

Оценку деформируемости системы можно выполнить по графикам оуу - иу для узлов, в которых производится мониторинг вычисленных величин По этому графику можно проследить влияние различных технологических, конструктивных и силовых факторов на величины смещений подошв насыпи или основной площадки, и в конечном итоге выполнить оценку нормативного условия расчета конструкции железнодорожного пути по деформациям Э < Эц, где в - расчетное значение величины упругой деформации (вертикальной осадки), 8Ц - предельное значение величины упругой деформации (вертикальной осадки)

Для оценки деформируемости и устойчивости системы в целом, необходимо знать изменения геометрии не только ее элементов, но и линий свободных поверхностей, границ раздела, подошвы насыпи и т п Такие изменения и их тенденцию можно установить при выводе на экран компьютера деформированной сетки разбивки Кроме этого, за такими изменениями можно проследить с помощью анализа значений следующих вычисленных величин компонент вектора смещений и, и тензора относительных деформаций еч, особенно е** Эти величины, выведенные в графической форме в процессе мониторинга выделенных узлов и конечных элементов, отражают процесс деформирования или расползания насыпей на оттаивающих вечномерзлых грунтах

Для количественной оценки прочности, несущей способности и устойчивости элементов системы «путь-основание» решены следующие задачи

1 расчет начального НДС основания системы при условии его равномерного мгновенного оттаивания на глубину 0,80 м,

2 моделирование процесса строительства насыпи железнодорожного пути,

3 последовательное моделирование в годовом цикле мгновенного промерзания (по месяцам) элементов системы и оценка их НДС;

4 последовательное моделирование в годовом цикле мгновенного оттаивания (по месяцам) элементов системы и оценка их НДС

В результате установлено, что с увеличением глубины «ложа» протаивания в основании пути увеличиваются абсолютные значения и размах колебаний вертикальных смещений иу узлов, расположенных внутри земляного полотна, а абсолютные значения вертикальных смещений иу и размах их колебаний в мониторинговых узлах земляного полотна, в циклах нагрузка-разгрузка, зависят от циклов оттаивания и глубины «ложа» протаивания в основании насыпи (рис 6) При этом

сечение пол бровкой земляного полотна, под торцом шпал и по оси пути вблизи поверхности откоса происходит постоянное увеличение их по абсолютной величине. В циклах промерзания абсолютные значения вертикальных смещений, как и размах колебаний в циклах на грузка-раз грузка, уменьшаются.

Рис. 6. Графики зависимости «смещение но пси У число изменений НДС»

Векторное поле абсолютных значений смещений на стадии установления постоянного к ваз и стационар но го температурного режима приведено на рис. 7. Как видно из этого рисунка, поле векторов расчета имеет сложный вид. особенно в основании пригтолошвенной зоны насыпи.

Рне. 7. Поле вектора смещений на стадии затухания деформаций (установление квазистационарноГО режима в основании ГТС)

Результаты расчетов подтверждают известные из практики эксплуатации насыпей железнодорожного пути выводы, что деформирование откосных частей отличается от деформирования центральной части земляного полотна.

(3 целом, -загружение оттаивающей системы «железнодорожный путь-основанием поездной нагрузкой ухудшает условия устойчивости откосов.

Наиболее интенсивное изменение НДС при действии объемных (гравитация) VI поверхностных (от поезда) сил в циклах промерзал и е-оттаивание происходит в приповерхностном слое земляного полотна. В этом слое происходит постоянное изменение параметра вида напряженною состояния а,. (рис. 8).

Рис. 8. "Эпюра значений параметра кида напряженного состояния о,, в КЭ под шпалой на основной площадке, кПа (аттаиввние, сентябрь 1]

Чаще всего грунт этого слоя находите« и состоянии растяжения или сдвига. В начальный период оттаивания большая часть этого слои переходят в предельное состояние, и возможна потеря его устойчивости. В начальный период промерзании грунт под этим слоем также переходит в предельное состояние и возможно его скольжение на контакте с галым грунтом. При этом материал земляного полотна имеет тенденцию к расползанию. В верхнем слое земляного полотна напряженное состояние весьма неоднородное.

С помощью разработанной методики расчета НДС мониторинг ГТС можно осуществлять, варьируя, различными воздействующими факторами, включая увеличение вибродинамической нагрузки при изменении условий эксплуатации и опираясь на экспериментальные данные. В частности, экспериментально установлено, что уровень колебаний у торца шпалы при рабочем воздействии ВПО в 3 и более раза выше, а ВПР в среднем в в раз ниже, чем под секциями тепловоза поезда, проходящего со скоростью 55 км/час, и, соответственно, в 5-7 раз выше при работе ВПО и в 3 раза ниже при работе ВНР, чем под вагонной нагрузкой.

С учетом установленных особенностей формирования НДС поверхностного слоя земляного полотна разработаны способы усиления и материалы, специальные укрепляющие грунтовые композиции, воспринимающие циклические изменения вида НДС - сжатие на сдвиг и растяжение.

Эффективность предложенного мероприятия подтверждена экспериментально при закреплении обочин и откосов с балластными шлейфами укрепляющими композициями ДВГУПС на ПЧ 5 После укрепления коэффициент устойчивости откосов увеличивается в 1,5 - 2,5 раза

В совокупности обе методики позволяют осуществлять теоретический мониторинг за состоянием ГТС Комплексный мониторинг объектов-аналогов позволяет сократить количество этапов проектирования (см рис 3)

Четвертая глава посвящена проблемам усиления и стабилизации земляного полотна в современных условиях эксплуатации, а также обращения поездов увеличенной массы С учетом основных закономерностей стабилизации ГТС разработана методика прогноза ее деформативности, на основе которой выполняются расчеты затрат, связанных с выбором ПДМ для стабилизации земляного полотна, указанных выше С целью экономии строительных и эксплуатационных затрат разработаны и экспериментально испытаны новые ресурсосберегающие многовариантные и многофункциональные технологии Новые разработки получили признание на ДВЖД К ним относятся технические решения, предусматривающие использование местной минерально-сырьевой базы Дальнего Востока и технология «СЕТКОН» Новые разработки внедрены на ДВЖД, в том числе двух дистанциях Северного широтного хода, АЯМ, федеральной автомобильной дороге «Амур»

В данной главе научно обоснованы новые технологии, связанные с использованием местного минерального сырья для усиления и стабилизации земляного полотна на всех этапах проектирования Ресурсосберегающие укрепляющие композиции на основе минерального сырья используют в качестве стабилизаторов-осушителей и укрепителей грунта при усилении железнодорожного земляного полотна, строительстве и ремонте автомобильных дорог, для устранения пучин под фундаментами зданий и сооружений и на дорожном полотне Разработанные составы активно вступают в реакцию с пылеватыми и глинистыми частицами фунтов, превращая их в прочные структуры, регулируют влажность с помощью циклического ее поглощения (на молекулярном уровне) и обеспечивают хорошее сцепление с глинистыми частицами грунтов ГТС при сохранении угла естественного откоса более 80° за счет увеличения сцепления и угла внутреннего трения в 3-5 раз

С помощью комбинированной конструкции из пенополистирола и укрепляющей композиции в основной площадке в 2000 году на 3259 км ПЧ-27 ликвидирован пучинный горб (170 мм) На подходах к Амурскому мосту г Комсомольска-на-Амуре (ПЧ 16) устранен сплыв откоса полувыемки и пучина (2004 г) На8518кмвг Хабаровске (ПЧ 5) стабилизированы откосы насыпей над водопропускной трубой, на участке сплыва, на участке с балластным шлейфом, на 8517 км устранена зауженность земляного полотна, на 8519 км (нижний главный ход) - стабилизирован оползень (2001 г) Разработанные и внедренные технологии значительно дополняют номенклатуру ПДМ за счет их многофункциональности и многовариантности

Выбор мероприятий для конкретных деформирующихся участков осуществлялся с помощью геофизических методов, инженерно-геологических методов, электроконтактного динамического зондирования и другие Для диагностики состояния ГТС дополнительно использовался прибор СДСГ - 1Э, который прошел экспериментальную проверку на ДВЖД и автодороге Раздольный - Хасан в Приморье Прибор регистрирует вибродинамические и термодинамические параметры фунтов при воздействии внешней, например, поездной нафузки на фунт в пункте измерения Реакция фунта на воздействие нафузки оценивается изменением показателей температуры, влажности, давления На рис. 9 приведены графики изменения температуры, упругих и остаточных деформаций фунтов слабого основания от вибродинамической нафузки за период наблюдений, равный 2,5 ч

В пятой главе разработан метод выбора проектных решений при стабилизации земляного полотна (усилении, реконструкции, устройстве обходов, двухпутных вставок и новых линий) в южной зоне вечной мерзлоты на основе функционально-системного принципа

Большое количество участков с деформирующимся и дефектным земляным полотном, а, следовательно, и большое количество проектно-технологических решений по их устранению предопределяет необходимость их типизации на основе ранжирования по степени опасности Это позволяет существенно упростить процесс выбора проектных решений на этапе ТЭО и в условиях эксплуатации Как известно, опасные деформации влияют на основные определяющие показатели эксплуатации железных дорог безопасность и бесперебойность движения Предлагаемая схема ранжирования деформаций, которая основана на окупаемо-

ста экономических затрат при устранении деформаций В качестве основного критерия экономических потерь принято ограничение (перерыв) в движении поездов, связанный с наиболее трудоемким и долговременным мероприятием по устройству обходов Участки с деформацими, на которых требуются мероприятия в виде обхода, отнесены к I типу Участки, на которых устранение деформаций реализуются за типовое «окно» (8 часов), отнесены ко П типу Участки с деформациями, где плавность движения нарушается, но они устраняются без занятий пути «с поля», относятся к Ш типу Остальные виды деформаций, которые не влияют на несущую способность подшпального основания (заиливание канав, кюветов, эрозия откосов и т д), отнесены к IV типу (рис 10)

Рис 9 Графики изменения температуры (копия экрана компьютера), упругих и остаточных деформаций на фоне напряженно-деформированного состояния системы 1 - изменение температуры фунтов основания осадочной насыпи, 2 - пластические деформации

Соотнесение деформаций к тому или иному типу производится путем сопоставления предлагаемых противодеформационных мероприятий (ПДМ) по их устранению с вариантом обхода (как наиболее радикального мероприятия), согласно разработанной методики определения рациональных пределов удлинения линии При этом затраты на устройство ПДМ определяют длину обхода Разработанная методика определения рациональных пределов удлинения линии основана на расчетах дисконтированной суммы приносимого дохода, соответствующего экономии на издержках Пересечение кривой окупаемости ПДМ с кривыми затрат на

устройство ПДМ соответствуют периодам их возмещения и соответствуют точкам разделения на «прибыли и убытки» по различным типам На основе полученных зависимостей можно принимать проектные решения по стабилизации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты при любых колебаниях цен, как в период эксплуатации, так и на этапе технико-экономического обоснования новой железнодорожной линии или обоснования варианта строительства второго пути.

Рис 10 Схема типизации деформаций по степени опасности

Для реализации этого метода в диссертации разработаны частные методики информационной поддержки выбора проектно-технологических решений для различных ситуаций В качестве аппарата прогнозирования разработана методика с применением прогноз-профилей Для автоматизации трудоемких расчетов разработано программное обеспечение

Модель реализации методологической концепции проектирования земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты на основе функционально-системного принципа представлена в конце 5 главы на принципиальной блок-схеме и схеме использования разработанных методик при проектировании объектов земляного полотна для его усиления (реконструкции) на БАМ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Деформации земляного полотна на оттаивающих вечномерзлых грунтах в южной зоне вечной мерзлоты связаны с тепловым воздействием земляного полотна на грунты основания и вибродинамическими нагрузками, оказывающими значительное негативное влияние на длительную и прогрессирующую просадоч-ность при повышении этих нагрузок. Проектирование земляного полотна в этих условиях должно осуществляться с учетом основных закономерностей стабилизации геотехнической системы (ГТС) «земляное полотно-основание» и перспективной массы поезда и осевой нагрузки В отдельных случаях, проект должен предусматривать перевооружение дороги (двухпутные вставки, вторые пути)

2. Для повышения эффективности и рентабельности усиления (реконструкции) и строительства земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты разработана методологическая концепция проектирования Она включает в себя комплексный анализ элементов существующей системы проектирования земляного полотна и дополнения элементами и методиками, позволяющими осуществлять качественный и количественный контроль проектных решений с помощью функционально-системного принципа, учитывающего взаимосвязи отдельных структурных частей с системой,

3. В диссертационной работе в качестве прототипа рассмотрена общепринятая система проектирования земляного полотна, которая успешно применяется при проектировании геотехнических систем «земляное полотно - основание» (ГТС) в обычных условиях Известная система проектирования имеет принципиальные недостатки при принятии конструктивно-технологических решений в южной зоне вечной мерзлоты В южной зоне вечной мерзлоты ITC работает в особых условиях, необоснованные противодеформационные мероприятия (ПДМ) могут нару-

шать закономерность их стабилизации При проектировании ПДМ в этих условиях важную роль играют исходные данные

4. Функционально-системный подход к проектированию земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты является наиболее приемлемой основой для формирования методологии, позволяющей с помощью полученных исходных данных комплексно осуществлять диагностику и прогнозировать затраты на стабилизацию деформирующегося земляного полотна в условиях вечной мерзлоты Этот принцип позволяет решать как единовременные, так и долгосрочные проблемы эксплуатации земляного полотна на вечномерзлых грунтах, а также осуществлять выбор эффективных проектно-технологических решений на всех стадиях их разработки и дальнейшего внедрения Использованный принцип проектирования базируется на результатах комплексных исследований, выполненных автором на ЗАБЖД и ДВЖД

5 В ходе исследований получены показатели сложения, состава и свойств грунтов земляного полотна и основания, температурного режима, влажности, прочностные и реологические характеристики оттаивающих грунтов, льдистость мерзлых грунтов в многолетних циклах наблюдений и установлено влияние этих показателей на деформации земляного полотна.

При глубине сезонного оттаивания в естественных условиях 0,8-1,5 м и высоте насыпей 2-2,5 м верхняя граница вечной мерзлоты устанавливается примерно на глубине 10-12 м ниже их верха Ежегодно неравномерные осадки насыпей, в зависимости от категории термопросадочности оттаивающих грунтов оснований, в начальный период 10-15 лет после строительства составляют от нескольких сантиметров до первых десятков сантиметров Векторы перемещений направлены вниз и в стороны от оси земляного полотна

6 Продолжительный период стабилизации земляного полотна состоит из трех главных этапов 1 - нарушение термодинамического равновесия в геотехнической системе «земляное полотно - вечномерзлое основание» (до 7-10 лет), 2 - восстановление термодинамического равновесия за счет формирование непромерзаю-щей таликовой зоны (11-25 лет), 3 - установление термодинамического равновесия (относительная стабилизация, как правило, более 20-25 лет) После реализации осадок, обусловленных деградацией мерзлоты и вытаиванием ледяных про-

слоев (начальная просадочносгь), наступает длительная просадочность, связанная с реологическими процессами Интенсивность этих процессов возрастает при увеличении вибродинамических нагрузок от поездов (масса поезда, осевые нагрузки) и работе выправочных машин непрерывного действия

Термодинамическое равновесие в ГТС наступающее через 20-25 лет после отсыпки земляного полотна обусловливает оптимальные сроки перевооружениядо-роги (вторые пути, двухпутные вставки) без оказания вредного влияния на земляное полотно первого пути Процесс стабилизации можно ускорить путем управления температурным режимом, например, с помощью конструкции «проветриваемый лоток» или с помощью теплоизолирующих устройств,

По результатам многолетних натурных исследований автором получены / откорректированы зависимости протаивания основания и осадки насыпи на расчетный год и протаивания основания на период затухания деформаций, которые легли в основу методики прогноза деформирования насыпей на термопросадочных участках высокотемпературной вечной мерзлоты Методика прогноза деформирования насыпей учитывает влияние мерзлотных процессов на формирование их суммарной осадки на рассматриваемых этапах стабилизации, что определяет выбор противодеформационных мероприятий

7 Результаты расчетов температурного режима земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты методами математического моделирования хорошо корреспондируются с данными многолетних режимных наблюдений На расчетный период 20-25 лет граница вечной мерзлоты устанавливается на глубине 10-12 м При сооружении насыпи второго пути температурный режим грунтов под основной площадкой первого пути сохраняется практически без изменения за счет «таликовой» зоны, формирующейся в среднем на глубине 5 м от верха насыпи В боковой части насыпи и под основной площадкой второго пути в процессе эксплуатации также формируется «талик» Ускорение формирования «талика», способствующего установлению постоянного температурно-влажностного режима под насыпью и обеспечению стабильности двухпутной насыпи в целом, в этот период возможно за счет принятия мер, направленных на изменение температуры по результатам выполненных расчетов

Разработана методика количественной оценки деформативности земляного полотна с помощью анализа напряженно-деформированного состояния для учета вибродииамического фактора и его влияния на слабо затухающую просадочность технических систем (ТС) «ВСП - ЗП - вечномерзлое основание» при обосновании проектных решений. Данная методика позволяет определять устойчивость ГТС в процессе строительства и последующей эксплуатации железных дорог на оттаивающих вечномерзлых грунтах с учетом перспективной массы поезда и осевой нагрузки

8 Разработана методика прогнозирования затрат с помощью предлагаемой типизации (ранжирования) деформаций по степени их опасности

9 На основе результатов исследований разработан общий метод принятия проект-но-технологических решений, использующий принципы функционально-системного подхода на уровне реализации реконструктивных мероприятий Метод позволяет принимать проектные решения на просадочных при протаивании вечномерзлых фунтах, как в период эксплуатации, так и на этапе технико-экономического обоснования новой железнодорожной линии или обоснования варианта строительства второго пути Для реализации этого метода в диссертации разработаны частные методики информационной поддержки выбора проектно-технологических решений для различных ситуаций В качестве аппарата прогнозирования разработаны прогноз-профили Д ля автоматизации трудоемких расчетов создано программное обеспечение

10 На основе изучения изменения температурно-влажностного режима грунтов технических систем «ВСП - ЗП - вечномерзлое основание» разработан и защищен патентом на изобретение новый способ диагностики состояния слабых грунтов оснований насыпей и откосов выемок под влиянием различных факторов, в частности, вибродинамической нагрузки, а на его основе, в соавторстве, с сотрудниками НПФ «ИНКО» разработана система диагностики состояния фунтов «СДСГ-1Э», основанная на принципах термодинамики

11 Для обеспечения стабильности ГТС разработаны в соавторстве новые ресурсосберегающие многофункциональные, многовариантные конструкции и технологии ПДМ с использованием скального фунта в сетчатых контейнерах («Сет-кон») и укрепляющие фунтовые композиции на основе местного минерального сырья для обеспечения стабильности ГТС, которые экспериментально проверены

на ДВЖД, защищены патентами на изобретения Они были использованы при разработке многовариантных комплексов противодеформационных мероприятий Многофункциональные и обоснованные расчетно-теоретическим путем конструкции и технологии по стабилизации земляного полотна экономичны и получили признание на ДВЖД, БАМ, АЯМ и федеральной дороге Чита-Хабаровск

12 В целом в диссертации разработаны принципы обеспечения стабилизации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты на основе функционально-системного подхода при его к проектированию земляного полотна на реальном примере (БАМ)

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 Жданова, С М Усиление земляного полотна на вечномерзлых грунтах /СМ Жданова, П И Дыдышко // Путь и путевое хозяйство - 2007 - № 5

- С. 33-37

2. Жданова, С М Оценка состояния земляного полотна на вечномерзлом основании / Жданова С М , Горшков Н И , Краснов М А // Путь и путевое хозяйство -2006 - № 8 -С 26-30

3 Крапивный, В А Усиление и реконструкция земляного полотна / В А Крапивный, Г В Бокач, В В. Воронин, С М Жданова, А. А Пиотрович, Г П Шиль-никова//Железнодорожный транспорт -2003 - №4.-С 27-31,

4 Пиотрович, А А Новая технология сооружения фильтрующих насыпей / Пиотрович А А, С М Жданова, В В Воронин // Путь и путевое хозяйство

- 2003 - № 10 - С 32-34

5 Ташлыков, П Г Оценка подвижек оползня / Ташлыков П Г , Корчев А В , С М Жданова // Путь и путевое хозяйство - 1986 - № 2 - С 28,

6 Жданова, С М Усиление земляного полотна на термопросадочном вечно-мерзлом основании в условиях повышения осевых и погонных нагрузок монография / С М Жданова, П И Дыдышко - Хабаровск Изд-во ДВГУПС, 2005 - 135 с

7 Катен-Ярцев, А С Нетрадиционные аспекты влияния вибродинамической нагрузки на стабильность оснований и откосов земляного полотна /АС Катен-Ярцев, С М Жданова Монография - Хабаровск Изд-во ДВГУПС, 2005 - 102 с

8 Жданова, С М Патент на изобретение № 2271002 Способ диагностики несущей способности грунтов / С М Жданова, Катен-Ярцев А С , Шулатов А В, Однопозов Л Ю - Зарегестрировано в Государственном реестре изобретений РФ

27 февраля 2006 г. Действует с 27 февраля 2006г // Официальный бюллетень «Изобретения Полезные модели» -2006 -№6.-10С

9 Жданова, С М Патент на изобретение №2160336 РФ, МПК6 Е 01 С 3/06 Земляное полотно на вечномерзлом основании /СМ Жданова - Зарегестрирова-но в Государственном реестре изобретений РФ 10 января 2000 г Действует с 10 января 2000 г// Официальный бюллетень «Изобретения Полезные модели» -2000 -№34 -6с

10 Жданова, С. М Патент на изобретение № 1791529 Устройство для измерения деформаций грунтов / Жданова С М, Никифоров АН- Зарегестрировано в Государственном реестре изобретений РФ 20 августа 1993 г Действует с 20 августа 1993г // Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели» - 1993 - № 4 - 5 с

11 Крапивный, В А Патент на изобретение № 2236504 Укрепляющая грунтовая композиция / В А Крапивный, П С Красовский, Г П Шильникова, С М Жданова, В Н Ли, В В Воронин - Зарегестрировано в Государственном реестре изобретений РФ 20 сентября 2004г Действует с 20 сентября 2004г // Официальный бюллетень «Изобретения Полезные модели» -2004 - № 26 - 14 с ,

12 Жданова, С М Патент на изобретение №220891 РФ, МПК7 Е 02 Б 17/18 , Е 01 С 3/06 Земляное сооружение на слабом основании /СМ Жданова - Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 10 июля 2003г Действует с 10 июля 2003 г // Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели» -2003 -№ 19

13 Дыдышко, П И А С 1506966 СССР, МКИ4 Е 02 В 3/12 Теплоизоляционное покрытие для сохранения вечномерзлых фунтов оснований/ П И Дыдышко, В В Пассек, Н А Цуканов, Г П Минайлов, В А Дербас, С М Жданова (РФ). Опубл 07 09 89, Бюл - № 33

14 Жданова, С. М Результаты натурных наблюдений за устойчивостью насыпи с теплоизолирующим покрытием на протаивающем вечномерзлом основании /СМ Жданова, Л С Буракова, Л В Василькова // Вопросы земляного полотна на дорогах Дальнего Востока Сб науч тр - Хабаровск ХабИИЖТ, 1991 -С 37-45

15 Жданова, С М О влиянии присыпки второго пути на устойчивость существующей насыпи со сформировавшейся таликовой зоной в основании из вечно-мерзлых грунтов /СМ Жданова, Л В Василькова, Л С Буракова Вопросы земля-

ного полотна на дорогах Дальнего Востока Сб науч тр - Хабаровск ХабИИЖТ, 1991 -С 45-50

16 Дербас, В А Оценка деформативности и прогноз стабилизации земляного полотна БАМ / В А Дербас, С М Жданова // Материалы П международной конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» - Владивосток ДВГМА, 1997 - С 125-126

17 Жданова, СМ К вопросу о причинах деформаций насыпей восточного участка БАМ на слабых при протаивании вечномерзлых фунтах / Материалы на-учно-техн конф - Хабаровск ХГТУ, 1995 -С 175-176

18 Жданова, С М Об опыте обработки результатов термометрических измерений /СМ Жданова, А Ю Стрелков // Современные технологии железнодорожному транспорту и промышленности труды 44-й Всероссийской научно-практической конференции 25-26 января 2006 г Под ред Ю А Давыдова. - Хабаровск Изд-во ДВГУПС, 2006 -Т 2 С 99-103

19 Жданова, С М. К вопросу проектирования земляного полотна вторых путей на оттаивающих многолетнемерзлых основаниях /СМ Жданова // Комплексные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации ж д в условиях Крайнего Севера Сб докладов - Хабаровск ДВГУПС, 1998 - С 222 -225

20 Жданова, С М Опыт внедрения противодеформационных мероприятий на Северном ходу ДВЖД результаты исследований, новые направления, перспективы / С М Жданова, Н В Перминова, А.А Пиотрович, Г П Шильникова // Современные технологии - железнодорожного транспорта и строительства- Труды 43-й Всерос Науч прак Конф -тЗ -Хабаровск ДВГУПС, 2003 - С 137-142.

21 Жданова, СМ О мониторинговой оценке состояния земляного полотна в условиях сурового климата. ДВГУПС 2003 /СМ Жданова // Современные технологии - железнодорожного транспорта и строительства Труды 43-й Всерос Науч прак.Конф -тЗ -Хабаровск ДВГУПС, 2003 - С 133-137,

22 Жданова, С М Новые технологии стабилизации земляного полотна ДВГУПС в условиях сурового климата /СМ Жданова А А Пиотрович, Г.П Шильникова, Н В Перминова // Проектирование и строительство транспортных объектов в условиях Республики Саха (Якутия) Матер Н -пракг конфер. -Якутск Якут Фил Изд-ваСО РАН, 2003 -С. 132-141,

23 Жданова, СМ О результатах научно-практических работ ДВГУПС на участке км 8 - км 38 железнодорожной линии Беркакит - Томмот /СМ Жданова,

А Г Полевиченко Л С Буракова, Л С Черненко // Проектирование и строительство транспортных объектов в условиях Республики Саха (Якутия) Матер Н-практ конфер -Якутск Якут Фил Изд-ваСО РАН, 2003 -С 132-141

24 Жданова, С М К вопросу о ресурсосберегающих технологиях упрочнения земляного полотна железных дорог Дальневосточного региона /СМ Жданова, Г П. Шильникова, Н П Чипига, В В Воронин // Исследования и разработки ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте межвуз сб науч тр с международным участием, -Самара СамИИТ, 2001 -С 307-311 -Вып 21

25 Жданова, С М О результатах исследований влияния вибродинамической нагрузки на слабые грунты основания и новой методике диагностики их состояния в процессе мониторинга /СМ Жданова, А С Катен-Ярцев, А В Шулатов, Л Ю Однопозов // Энерго-и ресурсосбережение на ж д транспорте Вестник инженеров-электромехаников ж д транспорта научное издание - Самара СамИИТ, 2003 - С 365-368 - Вып 1

26 Жданова, С М Об усилении обвально-оползневых участков на Высоко-горненской дистанции пути ДВЖД /СМ Жданова, Н В Перминова, Л С Буракова // Вопросы надежности пути и транспортных сооружений в суровых климатических условиях Межвузовский сборник научных трудов - Хабаровск ДВГУПС, 2004 - С 46-52

27 Гончарук, С М К мониторинговой оценке влияния технического состояния земляного полотна и его основания на показатели работы полигона железных дорог /СМ Гончарук, С М Жданова, Я А Сергеев // Труды всероссийской научно-практической конференции 11-12 июля 2000, Чита, Хабаровск ДВГУПС, 2000 - Т 3. С 60-68

28 Пиотрович, А А Патент на изобретение № 2186170 Фильтрующая насыпь на слабых грунтах / Пиотрович А А, Жданова СМ- Зарегестрировано в Государственном реестре изобретений РФ 27 июля 2002 г Действует с 27 июля 2002г // Официальный бюллетень «Изобретения Полезные модели» - 2002 -№21 -12 с

29 Жданова, С М Свидетельство № 22157 РФ, МПК7 Е 02 В 17/18 Земляное сооружение на слабом основании/С М Жданова (РФ) Опубл 10 03 02, Бюл - № 7

Нормативные документы:

1 Технические указания по стабилизации деформирующихся насыпей БАМЖД, расположенных на протаивающих основаниях из вечномерзлых грунтов / МПС РФ, Главное управление пути. - М, 1993 - 98 с

2 Инструкция по содержанию земляного полотна на вечномерзлых фунтах / МПС РФ - Тында, 1993. - 82 с

ЖДАНОВА СВЕТЛАНА МИРЗАХАНОВНА

ПРИНЦИПЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В ЮЖНОЙ ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Сдано в набор 09 07 2007 Подписано в печать 10 07 2007 Формат 60x84' /16 Бумага тип № 2 Гарнитура Times New Roman Печать RISO Уел печ л 2,8 Зак 289 Тираж 100 экз

Издательство ДВГУПС 680021, г Хабаровск, ул Серышева, 47

ВВЕДЕНИЕ.

1. КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ (ГТС) «ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО - ОСНОВАНИЕ» В ЮЖНОЙ ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

1.1. История мерзлотных исследований, проектирования и строительства земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты.—.

1.2. Динамика развития деформаций и расход средств на ремонт земляного полотна и водоотводных сооружений в условиях вечной мерзлоты в Дальневосточном регионе и Забайкалье.

1.3. Анализ основных проблем, связанных с эксплуатацией железных дорог в районах южной зоны вечной мерзлоты в современных условиях.

1.3 Л.Основные виды и характер деформаций земляного полотна, расположенного в южной зоне вечной мерзлоты.

1.3.2.0ценка современной нормативно-технической базы по выбору и обоснованию проектных решений при стабилизации земляного полотна в районах вечной мерзлоты.

1.3.3.Оценка современных способов и средств диагностики состояния грунтов и методов прогноза изменения мерзлотно-грунтовых условий геотехнической системы «земляное полотно-основание».

1.3.4.Эффективность реализованных противодеформационных мероприятий в различные годы эксплуатации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты.

1.4. Комплексные проблемы эксплуатации геотехнической системы «земляное полотно-основание» в условиях вечной мерзлоты

Выводы по главе

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ, РАЗВИТИЯ И ЗАТУХАНИЯ ПРОЦЕССОВ И ЯВЛЕНИЙ, ВЛИЯЮЩИХ

НА СТАБИЛЬНОСТЬ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ «ЗЕМЛЯНОЕ ПОЛОТНО - ОСНОВАНИЕ» В ЮЖНОЙ ЗОНЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

2.1. Постановка проблемы. Основные сведения о системотехнике проектирования. Функционально-системный подход как методологический принцип проектирования земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты.

2.2. Направления и авторские методики исследований устойчивости земляного полотна в условиях вечной мерзлоты и криогенных деформаций.

2.2.1. Характеристика экспериментальных объектов, особенности мерзлотно-грунтовых и инженерно-геологических условий.

2.2.2.Методика режимных наблюдений на экспериментальных объектах и обработка результатов многолетнего мониторинга. Выбор объектов аналогов.

2.2.3 .Результаты исследования влияния различных факторов на деформативность земляного полотна.

2.2.4.0садки земляного полотна.Механизм образования таликовой зоны

2.3. Комплексный анализ причин деформирования ГТС с использованием результатов многолетнего мониторинга

2.3.1 .Грунты марей и температурный режим насыпей на мари

2.3.2.Результаты исследования влияния противодеформационных мероприятий на установление термодинамического равновесия в ГТС.

2.3.3 .Расчетно-теоретическое обоснование результатов натурных исследований.

2.4. Разработка методики прогноза деформаций насыпей

На современном этапе развития Забайкалья и Дальнего Востока совокупность геополитических и экономических причин определяет необходимость дальнейшего совершенствования транспортной системы региона. Возможность формирования международных транспортных коридоров, доступ к уникальным природным ресурсам северных регионов -все это обусловливает повышенное внимание ведущих научных центров и отдельных ученых к вопросам проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна, преимущественно, в условиях вечной мерзлоты.

При этом некоторые вопросы, связанные с обеспечением стабилизации земляного полотна при его усилении (реконструкции), а также строительстве новых линий и дополнительных главных путей, в том числе в связи с перспективой увеличения осевых и погонных нагрузок, а также обращением поездов увеличенной массы в северных регионах, остаются пока до конца не исследованными. Эти вопросы влияют на сбалансированное развитие транспортной сети региона.

Актуальность проблемы обусловлена тем, что на значительном протяжении (более тысячи километров) существующих железных дорог Забайкалья, БАМ, эксплуатируемого участка Амуро-Якутской магистрали (АЯМ), расположенных на высокотемпературных вечномерзлых грунтах, проявляются часто неравномерные и недопустимые искажения продольного профиля и плана линии, негативно влияющие на безопасность и бесперебойность движения поездов.

Земляное полотно железных дорог в южной зоне вечной мерзлоты в районах Забайкалья и Дальнего Востока подвержено деформациям, которые в значительной мере обусловлены оттаиванием грунтов оснований и их переувлажнением. В настоящее время на Северном широтном ходу Дальневосточной железной дороги (ДВЖД) общая протяженность деформаций земляного полотна по данным АСУ ЗП составляет 964 км; из них 684,2 км подвержено осадкам. Протяженность мест с недостаточной шириной земляного полотна по верху составляет 292 км (30,3 %) и с повышенной крутизной откосов - на 116,95 км (5,5 %). Большинство дефектов также являются следствием осадок. Осадки на оттаивающих вечномерзлых грунтах составляют 51.9% общей протяженности осадочных мест ДВЖД. На Забайкальской железной дороге (ЗАБЖД) деформациям земляного полотна подвержено 29,1 % ее протяженности. Осадки составляют 85,1 км или 17,5 % от протяженности всех деформаций и дефектов, из них 49 осадочных мест на вечномерзлом основании общей протяженностью 14,3 км.

Деформациям земляного полотна способствуют неисправности водоотводных сооружений и недостаточное количество (до 40 % от потребного) запроектированных и построенных малых водопропускных сооружений. Более 500 км водоотводных сооружений на ЗАБЖД и более 2000 км на ДВЖД находятся в неисправном состоянии. Количество ограничений скорости движения поездов на участках железных дорог в южной зоне вечной мерзлоты значительно больше среднедорожных и среднесетевых показателей.

Для обеспечения прогнозируемого прироста объемов перевозок к 2010 г. примерно на 50 % (главным образом, за счет экспорта нефти, угля, лесных грузов) потребуется реализация мероприятий по устранению и предупреждению деформаций земляного полотна в рассматриваемых условиях.

Происходящие процессы и явления в оттаивающих вечномерзлых грунтах основания железных дорог остаются до настоящего времени недостаточно изученными, что негативно влияет на принимаемые проектные решения по усилению (реконструкции) земляного полотна эксплуатируемых линий, строительству вторых путей и новых линий. Эти решения нуждаются также в дополнительном научном обосновании в связи с вводом прогрессивных технологий перевозок.

Проектирование земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты должно осуществляться на основе исходных данных, результатов расчетов температурного режима и напряженно-деформированного состояния оттаивающих вечномерзлых грунтов, а также технико-экономического сравнения вариантов по приведенным затратам (капитальные вложения на усиление земляного полотна и эксплуатационные расходы).

Выбор вариантов проектирования необходимо производить с учетом основных закономерностей стабилизации геотехнической системы (ГТС) «земляное полотно-основание».

Данная работа посвящена проблеме совершенствования системы проектирования земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты для обеспечения его стабилизации и эксплуатационной надежности в условиях термодинамической нестабильности после его возведения с учетом изменений условий эксплуатации.

Для совершенствования общепринятой системы проектирования разработаны методики, позволяющие осуществлять выбор вариантов проектирования на основе определения затрат на стабилизацию деформирующегося земляного полотна, обоснования конструктивно-технологических решений и их качественного и количественного контроля.

Принципы обеспечения стабилизации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты, исследуемые в настоящей диссертационной работе, являются методологической концепцией, которая использует наиболее приемлемый функционально-системный подход, позволяющий дополнить существующую систему новыми элементами и методиками, а также логически придать проекту практическую направленность.

Целью исследования является разработка методов проектирования земляного полотна на основе функционально-системного подхода к усилению (реконструкции) существующих линий и строительству новых линий, вторых путей в южной зоне вечной мерзлоты для снижения эксплуатационных расходов железных дорог и обеспечения рентабельности вводимых прогрессивных технологий перевозок, предусматривающих повышение осевых и погонных нагрузок, а также обращение поездов увеличенной массы, в районах Забайкалья и Дальнего Востока за счет стабилизации земляного полотна и основания из оттаивающих вечномерзлых грунтов.

Для достижения поставленной цели в работе решается ряд задач на основе комплексного анализа проблем строительства и эксплуатации геотехнических систем (TTC) «земляное полотно-основание» в условиях южной зоны вечной мерзлоты и исследования причин незатухающих деформаций, связанный с разработкой методик: учета теплового влияния противодеформационных конструктивно-технологических мероприятий при составлении проектов нового строительства и усиления (реконструкции) земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты (качественный анализ); количественной оценки деформативности ГТС на оттаивающих вечномерзлых грунтах с учетом перспективного увеличения осевых и погонных нагрузок, а также обращения поездов увеличенной массы (с помощью расчетов напряженно-деформированного состояния, НДС); прогноза и нового принципа диагностики земляного полотна, а также дополнением информационной противодеформационной конструктивно-технологической базы новыми решениями и частными методиками, позволяющими осуществить наиболее прогрессивные проектные решения для создания метода проектирования земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты, использующей функционально-системный подход на уровне реализации проектно-технологических решений (на конкретном примере).

Совокупность вышеуказанных задач позволяет разработать принципы обеспечения стабилизации объектов усиления (реконструкции) и строительства земляного полотна в районах южной зоны вечной мерзлоты.

Научная новизна работы состоит в постановке и решении в едином алгоритме комплекса задач для разработки проектов усиления (реконструкции) земляного полотна эксплуатируемых линий, строительства земляного полотна новых линий и дополнительных главных путей в условиях южной зоны вечной мерзлоты на основе функционально-системного подхода.

Для решения поставленных задач использовались методы исследования, связанные с проведением многолетних экспериментальных полевых, лабораторных и теоретических работ. В работе использованы физические и математические методы моделирования, расчетно-теоретического анализа работы ГТС, синтеза накопленной совокупности научных знаний по теории и практике проектирования земляного полотна эксплуатируемых и строящихся транспортных объектов, математической статистики для обработки экспериментальных данных, экономической оценки эффективности вариантов проектных решений, системный метод и другие методы, прямо или косвенно влияющие на совершенствование системы проектирования земляного полотна с целью безопасного и бесперебойного функционирования железных дорог в регионах Забайкалья и Дальневосточного Севера

На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну д иссертации; результаты комплексного анализа проблем эксплуатации геотехнической системы (ГТС) «земляное полотно-основание» в условиях вечной мерзлоты; результаты исследования причин незатухающих деформаций в районах вечной мерзлоты; методика учета теплового влияния различных конструктивно-технологических мероприятий на стабильность ГТС при их реконструкции и усилении; методика количественной оценки работы элементов ГТС «земляное полотно - протаивающее вечномерзлое основание» под воздействием статических и вибродинамических нагрузок; методики рационального выбора конструктивно-технологических решений для стабилизации ГТС при проектировании земляного полотна новых и эксплуатируемых объектов с учетом закономерности его стабилизации; методики прогноза и типизации деформаций земляного полотна с учетом затрат при реализации протаводеформационных мероприятий; метод проектирования земляного полотна в условиях южной зоны вечной мерзлоты на основе выбора эффективных проектных решений и вариантов проектирования с использованием функционально-системного принципа.

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты составляют методологическую основу комплексной технологии высокоэффективного проектирования ГТС в южной зоне вечной мерзлоты с учетом перспективных условий эксплуатации железных дорог. Протяженность железных дорог в этой зоне составляет более четверти их общей протяженности в рассматриваемом регионе Забайкалья и Дальнего Востока. Разработанные методики, дополняющие и совершенствующие традиционные методы проектирования, предназначены для использования при составлении проектов усиления (реконструкции) земляного полотна эксплуатируемых линий, а также строительства новых линий и дополнительных главных путей в рассматриваемом регионе, что способствует снижению капитальных затрат и эксплуатационных расходов.