автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Технологическое регулирование процессов глубинного уплотнения слабых оснований земляного полотна

На правах рукописи

БУРУКИН Алексей Юрьевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГЛУБИННОГО УПЛОТНЕНИЯ СЛАБЫХ ОСНОВАНИЙ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

Специальность: 05.23.11 — Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей (технические науки)

5 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005542515

Москва-2013

005542515

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Организация, технология и управление строительством».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Луцкий Святослав Яковлевич

Официальные оппоненты: Исаков Александр Леонидович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС), заведующий кафедрой «Изыскания, проектирование и постройка железных и автомобильных дорог»;

Жорняк Сергей Георгиевич

кандидат технических наук, ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ЦНИИС), заведующий лабораторией «Центральная лаборатория земляного полотна и верхнего строения пути».

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»),

Защита состоится «26» декабря 2013 г. в 9-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ218.012.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС) по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191, ауд. 224 (зал заседаний диссертационных советов); e-mail: lvs@stu.ru. kvintmu@stu.ru, тел./факс (383) 328-04-86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС).

Автореферат разослан «25» ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат диссертации, подписанные и заверенные печатью организации, в двух экземплярах просим направлять в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь /

диссертационного совета / >

канд. техн. наук, доцент Соловьев Леонид Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования обусловлена ростом объемов строительства железных и автомобильных дорог преимущественно в сложных природных условиях. Обеспечение устойчивости земляных сооружений на слабых основаниях является одной из недостаточно изученных проблем безопасности путей сообщения, особенно при большой мощности слабых грунтов. Неравномерные и опасные для эксплуатации деформации земляного полотна приводят к систематическим ограничениям движения транспортных средств, увеличению затрат на текущее содержание и ремонт дорог. В теоретическом плане основное внимание отечественных и зарубежных ученых уделяется совершенствованию способов уплотнения земляных сооружений, обеспечивающих эксплуатационную устойчивость конструкции. Вместе с тем, влияние строительных процессов и современной техники на физико-механические характеристики слабых грунтов изучено недостаточно. В ходе работ, в зависимости от состава и интенсивности выполнения технологических процессов меняется состояние слабого основания и, как следствие, граничные условия для проектирования. Необходимы новые конструктивно-технологические решения по выполнению требований безопасности слабого основания большой мощности уже в строительный период, который является наиболее динамичной частью жизненного цикла дорожного земляного полотна.

Целью исследования является повышение прочности и стабильности слабых оснований земляного полотна в строительный период на основе регулирования технологических процессов глубинного уплотнения грунтов.

Объект исследования - технология возведения земляного полотна на слабых грунтах, мощность которых превышает активную зону воздействия поверхностной технологической нагрузки. Разработанные в диссертации методы реализованы на примере водонасыщенных глинистых грунтов.

Предмет исследования - конструктивно-технологические решения по глубинному уплотнению слабых оснований земляного полотна.

Задачи исследования:

- разработать методы технологического регулирования процессов уплотнения слабых грунтов большой мощности в основании земляного полотна;

- разработать принципиальную схему и состав комплексной технологии устройства геосвай и георостверка для возведения насыпей на слабых основаниях;

- сформировать технологические требования к выбору строительных машин и организации мониторинга состояния грунтов и технологических процессов, обеспечивающих стабильность слабого основания земляного полотна при повышенных строительных нагрузках;

- провести экспериментальное исследование и определить эффективность технологического регулирования глубинного уплотнения слабых грунтов.

Теоретической и методической основой исследования приняты: методология системного анализа в транспортном строительстве, методы конструктивно-технологического проектирования и организации строительного производства, теория механики фунтов и оснований земляных сооружений.

Достоверность результатов обусловлена применением теоретических основ и объективных методов научного исследования; апробированного программного комплекса расчета стабильности и устойчивости земляного полотна; основных положений теории механики грунтов; соответствием полученных выводов теоретических исследований и экспериментальных результатов, а также практикой реализации результатов в организациях транспортного строительства.

Научная новизна диссертации:

1. Разработана методика технологического регулирования, обеспечивающая повышение стабильности слабых оснований и устойчивости земляного полотна на принципах прямой и обратной связи между характеристиками слабых грунтов, параметрами строительных нагрузок и организационно-технологическими решениями. Новизна методики защищена патентом РФ № 2449075.

2. Сформирована принципиальная схема функционирования динамичной системы «слабые основания - геосваи - комплексная технология», включающая направленное регулирование строительных нагрузок и мониторинг состояния грунтов.

3. Разработаны комплексные технологические процессы трех стадий уплотнения слабых оснований большой мощности: устройство рабочей платформы, устройство геосвай и георостверка. Новое качество состоит в реализации максимально допустимых уплотняющих нагрузок под контролем прочности слабых грунтов.

4. Обоснованы параметры регулируемых режимов уплотнения, обеспечивающих стабильность слабого основания земляного полотна при повышенных строительных нагрузках.

Основные результаты исследования, выносимые на защиту:

- принципиальная схема и методика технологического регулирования процессов, основанная на принципах прямой и обратной связи между изменяющимися во времени физико-механическими характеристиками слабых грунтов и параметрами строительных нагрузок;

- комплексная технология глубинного уплотнения слабых фунтов по стадиям: устройство рабочей платформы, устройство геосвай и георостверка в основании земляного полотна;

- способы контроля и обеспечения безопасности технологических процессов каждой стадии уплотнения слабых грунтов, апробированные в процессе стендовых испытаний;

- методы обоснования параметров строительных машин и регулируемых режимов уплотнения слабых грунтов с учетом устойчивости земляного полотна в строительный период.

Практическая значимость результатов работы:

- разработаны технологические режимы уплотнения слабых оснований земляного полотна геосваями с применением методов вибропогружения и бурения;

- предложены методы определения безопасных строительных нагрузок при уплотнении слабых оснований земляного полотна железных дорог;

- даны практические рекомендации по выбору строительных машин и технологических параметров глубинного уплотнения слабых оснований большой мощности.

Внедрение результатов выполнено в 2010-2012 гг. в ООО ФСК «МостГеоЦентр» при подготовке программы стендовых испытаний песчаных свай в геотекстильной оболочке и разработке технологических карт по устройству геосвай методами вибропогружения и бурения. Результаты использованы ОАО «УСК МОСТ» при подготовке конкурсной документации на право заключения государственного контракта на строительство железнодорожной линии Кызыл-Курагино.

Разработанные методы технологического регулирования включены в стандарт организации по композитной технологии упрочнения слабых грунтов СТО ИСМ 58748660-05-2012 и прошли экспериментальную проверку в ходе стендовых испытаний, проведенных в лаборатории Научно-исследовательского института мостов и дефектоскопии Росжелдора при участии автора.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение: на восьмой научно-технической конференции с

международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути», посвященной профессору Г.М. Шахунянцу (МИИТ, 2011 г.); на десятой научно-практической конференции с международным участием «Безопасность движения поездов» (МИИТ, 2009 г.); на научно-практических конференциях «Наука МИИТ -транспорту» (МИИТ, 2010-2011 гг.). Диссертация обсуждалась на межкафедральных семинарах СГУПС (г. Новосибирск, 2012 г.) и ТГАСУ (г. Томск, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе пять статей в научных журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, и зарегистрирован патент на изобретение № 2449075 РФ.

Состав и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст изложен на 128 машинописных страницах и 16 страницах приложений, содержит 32 рисунка и 20 таблиц. Список литературы включает 115 наименований.

Содержание диссертации соответствует п. 14 паспорта специальности 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава содержит анализ конструктивно-технологических решений по упрочнению слабых грунтов большой мощности в основаниях земляных сооружений, обзор отечественного и зарубежного опыта упрочнения слабых оснований земляного полотна.

Теоретические и методические разработки, применяемые в диссертации, основаны на трудах отечественных и зарубежных ученых по проблемам: научного сопровождения строительства объектов транспорта в сложных инженерных условиях - Переселенкова Г.С., Цернанта A.A. (ЦНИИС); организационно-технологического обеспечения строительства - Воробьева B.C. (СГУПС), Шепитько Т.В. (МИИТ); методологии проектирования и эксплуатации земляного полотна — Шахунянца Г.М., Виноградова В.В., Коншина Г.Г. (МИИТ), Дыдышко П.И. (ВНИИЖТ), Прокудина И.В. (С.-ПбГУПС), Доброва Э.М. (МАДИ), Казарновского В.Д., Кузахметовой Э.К. (СоюзДорНИИ), Ефименко В.Н. (ТГАСУ); обоснования конструкции, моделирования и мониторинга земляного полотна - Яковлевой Т.Г., Ашпиза Е.С. (МИИТ), Исакова А.Л., Смолина Ю.П. (СГУПС), Кемпферта Х.-Г.

(Университет г. Кассель, ФРГ), Рейтеля М. (Институт геотехники, г. Кассель, ФРГ); технологии и механизации сооружения земляного полотна - Недорезов И.А., Жорняка С.Г., Орлова Г.Г., Рябова В.П. (ЦНИИС), Луцкого С.Я. (МИИТ), Хархуты Н.Я. (СПбГПУ) и других известных ученых.

Обзор состояния проблемы позволил установить перспективные конструктивно-технологические методы глубинного упрочнения слабых оснований. Для земляного полотна наиболее эффективным является армирование слабой толщи свайными конструкциями. Но упрочнение слабого основания грунтовыми сваями, в том числе дренами имеет основной недостаток — деформации свай во времени и, как следствие, неконтролируемые осадки межсвайного пространства. Жесткие сваи повышают устойчивость конструкции насыпи, однако ввиду различной несущей способности свай и грунтов в межсвайном пространстве возможны неравномерные осадки основания. Для повышения прочности основания расстояние между сваями уменьшают, увеличивают их диаметр или укладывают по подошве насыпи армирующий геосинтетический материал, что приводит к удорожанию конструкции и не исключает разрыв прослойки геотекстиля. В практике транспортного строительства используют взрывные, механические и гидромеханические методы удаления слабого основания, а также способ устройства насыпи с пригрузом. Эти способы являются наиболее трудоемкими и экологически небезопасными, они применяются при небольшой толще слабых грунтов.

Положительные результаты возведения земляного полотна дает разработанная в МИИТе интенсивная технология. Она заключается в стабилизации слабого основания за счет устройства дренажных прорезей и уплотнения тяжелыми грунтовыми катками в течение расчетного периода времени. Однако ее влияние происходит только в верхней зоне слабого основания.

Известен также опыт геотехнического строительства ФРГ и Италии по упрочнению слабого основания песчаными сваями в защитной оболочке из геосинтетического материала. Однако для обеспечения прочности грунтов межсвайного пространства расстояние между осями свай снижают до 1,6м при диаметре геосвай 0,8м, на поверхность свайного поля укладывают в продольном и поперечном направлении георешетку, предусматривают дополнительно пригруз, что в совокупности приводит к увеличению стоимости и сроков строительства.

Таким образом, анализ отечественных и зарубежных трудов по проблеме

сооружения земляного полотна на слабых грунтах большой мощности показал необходимость разработки новых конструктивно-технологических решений. Это и определило направленность диссертации - разработать методы повышения прочности слабых оснований земляного полотна на основе технологического регулирования процессов глубинного уплотнения грунтов.

Во второй главе разработаны методы технологического регулирования в составе комплексной технологии уплотнения слабых оснований, включающей формирование рабочей платформы (первая стадия), регулирование параметров при устройстве геосвай и уплотнении межсвайного пространства (вторая стадия), формирование георостверка (третья стадия комплексной технологии).

Концепция технологического регулирования заключается в структурном преобразовании слабого основания последовательно по стадиям и управлении процессами комплексной технологии в ходе работ с контролем состояния слабых грунтов. На каждой стадии грунтовый массив основания предложено уплотнять максимально допустимыми нагрузками, параметры и продолжительность которых предложено регулировать в соответствии с состоянием несущей способности и стабильности оснований в строительный период.

Предлагаемая принципиальная схема технологического регулирования (рисунок 1) имеет блочную структуру, объединяет три структурные стадии комплексной технологии и четыре функциональных технологических блока. В совокупности они образуют технико-технологическую систему, допускающую регулирование для обеспечения эффективности производства работ.

Функционирование блоков комплексной технологии включает направленное по стадиям улучшение характеристик слабых грунтов в ходе уплотнения основания. Все стадии и блоки принципиальной схемы обеспечены контролем динамики изменения грунтовых и технических параметров при производстве работ и, особенно, при технологическом регулировании нагрузок. Сам процесс управления организационно-технологическими режимами предполагает обратную связь на основе контроля нагрузок, деформаций, напряжений и порового давления в грунтах в ходе строительства. Для этого каждая стадия включает мониторинг деформационных и прочностных характеристик, который должен быть обеспечен полевыми лабораториями.

Взаимосвязь технологических процессов на стадиях комплексной технологии представлена в таблице 1 и на рисунке 1.

На первой стадии комплексной технологии (КТ) необходимо сформировать рабочую платформу для оборудования (буровой машины или

вибропогружателя) при устройстве геосвай. Формирование рабочей платформы может быть выполнено по двум вариантам:

- устройство защитного песчаного слоя, с уплотнением при оптимальной влажности, достаточного для восприятия нагрузки от буровой машины / вибропогружателя;

- то же, с уплотнением защитного слоя и активной зоны слабого основания, в совокупности обеспечивающих восприятие нагрузки от буровой машины/вибропогружателя и уплотнение слабых грунтов на глубину активной зоны. Для работы катка в интенсивном технологическом режиме, отжатия и отвода воды на первой стадии перед отсыпкой защитного слоя предусмотрено устройство дренажных канав, прорезей и укладка слоя геотекстиля. Технологическую нагрузку (вес и вибровоздействие) катка следует принять в максимально допустимом по величине К6 размере.

Таблица 1 - Стадии и параметры комплексной технологии (обозначения приведены на рис. 1).

Контрольные параметры: 5, и>, Е, с, <р, Кб

Технологические процессы:

а) устройство защитного слоя;

- уплотнение под контролем К6\

б) формирование дренажных прорезей;

- укладка геотекстиля;

- устройство защитного слоя;

- уплотнение Р„т под контролем Кв:

Контроль допустимой технологической нагрузки: [Р, (М„ У) + Р,]<

[Р6(С,1Р)-РЛ1

Контрольные параметры: 52, *1>2, Ег, с2, щ К62

Технологические процессы:

а) вибропогружение обсадной трубы;

- устройство геотекстильной оболочки;

- подъем трубы с уплотнением песка в геосвае.

б) бурение скважины в обсадной трубе;

- устройство геотекстильной оболочки;

- подъем трубы с уплотнением песка в геосвае.

Контрольные параметры: Ез,Сз, (рз, КбЗ, Куст

Технологические процессы:

- укладка геотекстиля;

- устройство защитного слоя;

- уплотнение под контролем Кб.

Контроль допустимой технологической нагрузки: [Р„з(Мк, У3) + Р,]<

[Рбз(сз,<Рз)-Рпз]

Блоки Стадии КТ

' Стадий 1. Устройство ..рабочей -..платформы

', 1. Определение физико -механических характеристик ; слабых грунтов йтеосвай

Характеристики: Не, у, и/, Е, /„ С<. С! Лз

Функциональные блоки технологического регулирования 1 -

2. Выбор параметров

машин и7 ; • оборудования

Грунтовые катки: Рк, КП, Пэ

Мониторинг Рп, Кб

X

3. Контроль деформаций и прочности,основания,

К6>1

кб>1

4, Регулирование : технологических ''• процессов

Регулируемые параметры: з) катка: А, Я, Т, п, V; 6} зощ. слоя: Н

Стадия 2. Устройство геосвай ...

Параметры свайного поля: О, І, іїт

Вибропо-гоужение

Бурение

Оборудование: Рм, Пэ

Вибро- Буровая

погружатель машина

Мониторинг Рг, Кб

Нб<1

Нб>1

Регулируемые параметры геосвайного поля: і,ігт

Стадия 3. Устройство . : георостверка

Характеристики: Не, у, IV, с, <?

Геотекстиль: Сгт, ЛІ

Грунтовые катки: Рк, КП, Пэ I

Мониторинг Кб и Куст

Кб<1

Регулируемые параметры уплотнения: Рк, п, А, Уи геотекстиля: вгт, й1

¡Мобильность под эксплуатационной нагрузкой обеспечена

Рисунок 1 - Принципиальная схема технологического регулирования процессов глубинного уплотнения

слабого основания земляного полотна

Ис - глубина слабого слоя; ч/ - влажность; Е - модуль деформации; с - сцепление; (р - угол внутреннего трения; //. - показатель текучести; Рк, Рм -нагрузка от катка и буровой машины; А амплитуда вибрации; /?- вид виброуплотнения; КП - бортовой контроль плотности; п, V-число проходов и скорость катка; йя - текущее и допустимое значение прироста осадки в активной зоне; Рг - горизонтальные напряжения; Т- время нагружения; Рп - поровое давление; Кб, Куст -коэффициенты безопасности основания и устойчивости насыпи; Ц I - диаметр расстояние между геосваями; Из —толщина защитного слоя; , J,n,, ЛЬ - прочность на растяжение в поперечном/продольном направлении и относительное удлинение геотекстиля.

Допустимую технологическую нагрузку от грунтового катка Рк и защитного слоя следует проверить с помощью неравенства:

[Рк (М„ V) + Р3]<[Рб (с,<р)-Р„], (1)

где Рк (Мк, V) - нагрузка от грунтового катка, зависящая от рабочей массы катка Мк, скорости его движения V и амплитуды вибрации А, кПа; Р, -нагрузка, действующая от защитного слоя, кПа; Р„ - поровое давление, кПа; Рв - безопасная нагрузка, соответствующая внешней нагрузке на основание, вызывающей появление предельного состояния грунта по сдвигу. Величина Рв определяется расчетом по действующим нормам в зависимости от формы нагрузки, глубины расположения рассматриваемого горизонта и прочностных характеристик С(РкТ) и <р(рК]т) - сцепления и угла внутреннего трения грунта, которые изменяются в процессе технологического регулирования нагрузки Р„ времени ее приложения Т и являются контролируемыми параметрами. Значения нагрузок и грунтовых характеристик включаются в расчет с учетом коэффициентов надежности по грунтам, нагрузкам и условиям работы сооружения, принимаемым по действующим нормам.

Важно отметить, что в неравенстве (1) в процессе технологического регулирования по стадиям комплексной технологии одновременно изменяются и безопасная и допустимая нагрузки. Допустимая нагрузка от катка Рк является основным контролируемым параметром, непосредственно влияющим на уплотнение и прочность слабых грунтов в основании. Ее предложено определять ежедневно на опытном участке, до начала рабочей смены в соответствии с ежедневным режимом регулирования технологической нагрузки. Выполненные в гл. 3 диссертации опытные расчеты показали, что на начальном этапе уплотнения следует применить каток статического действия (или виброкаток с выключенным вибратором), нагрузка от которого будет допустимой по формуле (1). Решение о приложении допустимой технологической нагрузки принимается после пробного уплотнения на опытном участке.

В соответствии с принципиальной схемой, по результатам повышения прочностных характеристик грунтов и мониторинга уплотнения на опытном участке, начальную нагрузку следует увеличивать. Изменение прочностных и деформационных характеристик грунта при интенсивном уплотнении основания должна определять полевая лаборатория перед началом каждого дня производства работ.

Технологическое регулирование предусматривает изменение

параметров: общей массы катка Мк, скорости движения V, числа проходов п и времени приложения нагрузки Т (для виброкатка - амплитуды Ау, вида виброуплотнения К). Нагрузку виброкатка Рк следует изменять в диапазоне от начальной - при работе вибровальца на низкой амплитуде, до конечной -при работе на высокой амплитуде. Отметим, что современные катки с автоматизированным контролем процесса уплотнения и позиционирования позволяют принимать любые значения амплитуды в паспортном диапазоне.

Число проходов катка определяется после уплотнения основания на опытном участке по результатам полевых измерений влажности и плотности грунта основания. Для прогноза числа проходов катка может быть использована формула, предложенная в трудах МАДИ (2005 г.), параметры которой меняются при технологическом регулировании:

_ Ау{г,\у)-Иа

яМ-У/ , (2)

где Ау (г, к) — удельная механическая работа для уплотнения 1м3 грунта, Дж/м3, зависит от прочностных характеристик г и влажности w грунтов; Иа -толщина активной зоны, м; дк (Ау) — линейное давление от вальца катка с учетом действия центробежной силы, зависит от амплитуды Лу вибрации, Н/м;/- коэффициент сопротивления движению катка.

Ход осадок измеряется ежедневно. Расчетные (прогнозные) значения грунтовых характеристик и допустимых нагрузок определяются методами теории механики грунтов. По итогам уплотнения полевая лаборатория определяет новые улучшенные значения характеристик слабого грунта: влажности И7; и плотности р! в соответствии с ГОСТ 30672-2012; сцепления С/ и угла внутреннего трения <р1 в соответствии с ГОСТ 20276-2012.

Расчет прироста допустимой нагрузки АРк2, с учетом коэффициента надежности по нагрузке, выполняется в следующем порядке: 1) определение нового значения безопасной нагрузки Рб2 (с учетом порового давления) на грунты с повышенными на первом этапе прочностными характеристиками; 2) определение прироста нагрузки для очередного этапа уплотнения:

ЬРк2=Рб1{си<рх)-Рл, (3)

где Рк/, Рб2 - соответственно, начальная нагрузка от катка и безопасная нагрузка на грунты с повышенными прочностными характеристиками, кПа.

Таким образом, содержание технологического регулирования при уплотнении защитного слоя состоит в последовательном повышении допустимой для слабого основания технологической нагрузки под

контролем коэффициента безопасности.

В результате формирования рабочей платформы в интенсивном технологическом режиме уплотнения слабый грунт в верхнем слое основания насыпи переходит во вторую технологическую стадию с улучшенными прочностными характеристиками, достаточными для работы под нагрузкой от оборудования буровой машины / вибропогружателя.

Вторая стадия предназначена для глубинного уплотнения слабых грунтов и состоит в устройстве свай в геотекстильной оболочке методом вибропогружения (вытеснения грунта) или бурения в обсадной трубе. Она заключается в выборе параметров армирования основания геосваями и оценке их влияния на характеристики межсвайного пространства. Влияние свай при их устройстве заключается в появлении горизонтальных напряжений в межсвайном пространстве, которые приводят к уплотнению слабых грунтов за счет расширения геотекстильной оболочки. Геосвайная структура в наибольшей степени приемлема для технологического регулирования, поскольку позволяет целенаправленно управлять ее основными параметрами, к которым относятся: размещение геосвай (структура свайного поля); характеристики геотекстильной оболочки; методы свайных работ и параметры нагрузки при устройстве свай.

В качестве исходных данных приняты фактические физико-механические характеристики слабых грунтов, улучшенные в результате применения 1-й стадии комплексной технологии. При оценке влияния строительных нагрузок на обеспечение прочности межсвайного пространства следует принять начальную минимальную величину сближения геосвай т (определяется отношением диаметра свай с/ к расстоянию между ними /), при которой будет соблюдаться условие Кб>1. В связи с повышением плотности и улучшением прочностных характеристик (сцепления и угла внутреннего трения) в межсвайном пространстве, при устройстве геосвай появляется возможность увеличения безопасной нагрузки на слабый грунт.

Для контроля и регулирования данного процесса в принципиальной схеме (рисунок 1) предусмотрен геотехнический мониторинг свайных работ на опытном участке с регистрацией горизонтальных напряжений, под действием которых происходит уплотнение слабых грунтов. Изменение (повышение) плотности и прочностных характеристик грунтов межсвайного пространства при устройстве геосвай должно ежедневно регистрироваться полевой лабораторией. Первоначально принятые расстояние между

геосваями и марка геотекстильной оболочки могут быть изменены, с учетом повышения прочностных характеристик межсвайного пространства по результатам устройства геосвай на опытном участке.

В ходе мониторинга предусмотрено сравнение методов бурения и вибропогружения свай. Метод вибропогружения трубы-лидера эффективнее метода бурения за счет большей производительности и дополнительного уплотнения слабого грунта, которое пропорционально площади армирования. При извлечении обсадной трубы (как при методе вибропогружения, так и бурения) уплотнение межсвайного пространства происходит за счет расширения геооболочки при уплотнении в ней песка. Для использования метода вибропогружения необходимо оценить возможность его применения по типу грунта и воздействию вибрации на близлежащие сооружения. Критерием опасного воздействия вибрации в соответствии с СП 26.13330.2012 является амплитуда колебаний грунта основания. Амплитуда колебаний от вибропогружателя должна удовлетворять условию:

а<аи, (4)

где а — наибольшая расчетная амплитуда колебаний, мм; аи — предельно допустимая амплитуда колебаний, установленная по проекту. Затухание амплитуды колебаний с удалением от источника вибрации необходимо определять на опытном участке до начала производства работ. Прогнозное значение амплитуды колебаний определяется по формуле СоюздорНИИ:

аг=аое~0-^ (5)

где ао и ат — амплитуда колебаний грунта соответственно у обсадной трубы и на расстоянии 2, мм; - коэффициент затухания колебаний (для водонасыщенных грунтов /? =0,03-Ю,04 м"1).

В расчетах метода вибропогружения учтено, что горизонтальные напряжения и, соответственно, уплотнение грунтов существенно выше по сравнению с методом бурения, в связи с вытеснением грунта трубой-лидером. В результате в большей степени увеличиваются плотность, сцепление и угол внутреннего трения. Вместе с тем, метод бурения является предпочтительным при работе геосвай как дрен. Действие горизонтальных напряжений в свае требует экспериментальной проверки прочности на разрыв геотекстильной оболочки.

Таким образом, возможность технологического регулирования параметров (расстояния между сваями, материала геооболочки и метода устройства геосвай) на второй стадии комплексной технологии позволяет

перенести часть эксплуатационной нагрузки на геосваи, уменьшить ее влияние на слабые грунты основания, улучшить прочностные характеристики по всей глубине слабой толщи. Вместе с тем, проблемными, в смысле восприятия эксплуатационной нагрузки от будущей конструкции насыпи, остаются слабые грунты межсвайного пространства.

По результатам второй стадии комплексной технологии необходимо выполнить проверку условий устойчивости насыпи и стабильности слабых грунтов основания под эксплуатационной нагрузкой, особенно при выполнении свайных работ методом бурения. Если условия устойчивости не выполняются, в принципиальной схеме (см. рисунок 1) предусмотрена третья стадия комплексной технологии.

Третья стадия предназначена для устройства георостверка, она включает укладку геотекстильной прослойки над геосваями, устройство защитного слоя из песка и виброуплотнение в режиме интенсивной технологии. В качестве исходных данных приняты фактические физико-механические характеристики слабых грунтов, улучшенные в результате первой и второй стадий комплексной технологии. Методы технологического регулирования на третьей стадии заключаются в выборе параметров геополотна и режимов уплотнения для формирования георостверка, обеспечивающего распределение эксплуатационной нагрузки на сваи и разгрузку межсвайного пространства до допустимого по коэффициенту безопасности значения.

Геотекстильный материал для ростверка следует подбирать в зависимости от требуемой прочности на растяжение в продольном направлении и относительного удлинения под эксплуатационной нагрузкой. После устройства геотекстильной прослойки и защитного слоя предусмотрено уплотнение геосвайного поля в режиме интенсивной технологии. Устройство георостверка позволяет уменьшить напряжения в межсвайном пространстве за счет перераспределения нагрузки на геосваи и сократить осадку слабых грунтов под эксплуатационной нагрузкой.

Третья стадия комплексной технологии завершается проверкой условий устойчивости насыпи и стабильности слабого основания под эксплуатационной нагрузкой.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию процессов технологического регулирования и организации мониторинга состояния слабого основания. Опытная проверка методики технологического регулирования была предназначена для определения влияния

технологических параметров на повышение плотности и прочностных характеристик слабых грунтов по стадиям комплексной технологии. Для этой цели был выбран участок проектирования земляного полотна новой железнодорожной линии Кызыл-Курагино (км. 345 - км. 398) с насыпями на слабом основании, сложенном водонасыщенными глинистыми грунтами. Для расчета принят поперечник ПК 3482+50 с насыпью высотой 7,51м, расположенный на 5-ти метровой толще текучепластичного суглинка (значение коэффициента безопасности К6 на поверхности основания составляет 0,21).

Первая стадия комплексной технологии включала формирование рабочей платформы по вариантам: устройство защитного слоя толщиной 1м для работы оборудования Liebherr LRB 255 при устройстве геосвай на второй стадии; интенсивное уплотнение слабого основания катком Dynapac СА 2500D (в первый день с выключенным вибратором). По результатам интенсивного уплотнения основания на первой стадии безопасная нагрузка на слабый грунт увеличена в 1,32 раза, в активной зоне достигнута 71,8% осадки от конечной под эксплуатационной нагрузкой (рисунок 2).

s, м

-а-

65.3

Т, дни

■Р.. кПа

Рисунок 2 - Изменение осадки при технологическом регулировании нагрузки от грунтового катка на 1 -ой стадии комплексной технологии (1 - ход осадки на 1-ой стадии комплексной технологии; 2 - конечная осадка под эксплуатационной нагрузкой в активной зоне уплотнения; 3 - конечная осадка под эксплуатационной нагрузкой во всей толще)

Расчеты параметров второй стадии комплексной технологии по устройству свай в геотекстильной оболочке Kortex Tube 100/300, с применением метода вибропогружения трубы-лидера, показали возможность повышения плотности и прочностных характеристик грунтов межсвайного пространства в размере достаточном для заданного коэффициента безопасности под эксплуатационной нагрузкой. Вместе с тем, устройство геосвай методом бурения не обеспечило стабильность слабого грунта в межсвайном пространстве (Л"б=0,72), для повышения прочности основания была применена третья стадия комплексной технологии с устройством георостверка (геотекстиль Stabilenka плотностью 605 г/м2).

В процессе исследования была поставлена задача экспериментальной проверки параметров и эффективности технологического регулирования на каждой стадии комплексной технологии.

Экспериментальная проверка была организована в качестве самостоятельного этапа в составе комплексного стендового испытания свай в геотекстильной оболочке, проведенного Научно-исследовательским институтом мостов и дефектоскопии Росжелдора по заданию и программе ФСК «Мостгеоцентр». Эксперимент был проведен с участием автора по специальному разделу общей программы на стенде, моделирующем характеристики свайного поля из пятнадцати геосвай под нагрузкой. Испытательная нагрузка от четырех домкратов передавалась на сваи и слабый грунт межсвайной зоны через жесткий штамп. Программой испытаний был предусмотрен диапазон нагрузок и разгрузок свай, межсвайной зоны и всего основания, соответствующий заданным технологическим режимам поэтапного уплотнения основания с регистрацией напряжений датчиками.

Межсвайное пространство (суглинок текучепластичной консистенции) испытывалось технологическими режимами медленного нагружения с переменной возрастающей нагрузкой. Периодичность приложения нагрузки была принята 12 часов (этот режим соответствует организации работ в мехколонне). После каждого цикла производилось измерение осадок, напряжений и объема отжатой воды. Эксперимент продолжался до достижения прироста осадки между измерениями менее 1 мм.

Применение комплексной технологии позволило: снизить влажность за счет отжатия воды в прорези на 15%; повысить угол внутреннего трения на 49% и сцепление грунтов на 43%; уменьшить на 20% нагрузку на слабый грунт межсвайного пространства. В процессе подготовки новой технологии к внедрению на объектах строительства и реконструкции земляного полотна

следует учесть не только позитивные возможности новой техники (повышенные виброударные нагрузки и скорости), но и потенциальное негативное влияние на состояние слабых оснований. Поэтому программой эксперимента было предусмотрено достижение предельной нагрузки, при которой произошел выпор грунта между сваями. Это негативное явление свидетельствовало о необходимости контроля коэффициента безопасности слабого основания и технологического регулирования нагрузок свайного поля. Результаты экспериментальных этапов по испытаниям межсвайного пространства и опытных расчетов для участка земляного полотна железнодорожной линии Кызыл-Курагино соответствуют теоретическим выводам главы 2 относительно последовательного упрочнения слабого основания в ходе технологического регулирования.

В третьей главе проведен анализ соответствия параметров современных виброкатков и оборудования для устройства геосвай требованиям технологического регулирования:

- возможность выбора грунтовых катков в требуемом диапазоне массы от 6т до 27т, вида виброуплотнения (обычный режим, осцилляция) с непрерывным изменением амплитуды и центробежной силы в паспортном диапазоне; наличие прибора непрерывного слежения за степенью уплотнения грунта и системы позиционирования;

- возможность выбора оборудования для бурения или вибропогружения обсадных труб диаметром от 0,5м до 1,5м с автоматическим регулированием параметров вибрации и скорости погружения в зависимости от характеристик слабого грунта и подстилающего прочного слоя.

При производстве работ на всех стадиях комплексной технологии обоснован состав мониторинга динамики изменения характеристик грунтов и технических параметров нагрузок. Процесс управления режимами предполагает обратную связь в виде непрерывного контроля нагрузок, деформаций и напряжений в ходе строительства. Для контроля осадок, прочностных характеристик и порового давления должна быть организована работа полевых лабораторий на опытных участках. Расчет коэффициента безопасности основания с последовательно изменяемыми характеристиками позволяет обосновать режимы регулирования допустимых нагрузок до начала каждого рабочего дня.

В четвертой главе обоснована технологическая и экономическая эффективность регулирования процессов глубинного уплотнения слабых оснований по стадиям комплексной технологии применительно к опытным

расчетам, проведенным в третьей главе для участка земляного полотна новой железнодорожной линии Кызыл-Курагино (км. 345 - км. 398) с насыпями на слабом основании.

Устойчивость откосов проектного поперечника насыпи на слабом основании проверена в соответствии с СТНЦ-01-95 расчетом по формуле:

¡¡г К(г)^Гп-Г/с

— , (6)

где К$ - коэффициент устойчивости; Щг) - расчетное значение обобщенной силы предельного сопротивления сдвигу (зависит от прочностных характеристик грунтов г) кII, определенное с учетом коэффициента надежности по грунтам; Т - расчетное значение обобщенной активной сдвигающей силы, кН; у„ - коэффициент надежности по назначению сооружения; у)с - коэффициент сочетания нагрузок; ус - коэффициент условий работы.

При определении коэффициента устойчивости под действием эксплуатационной нагрузки учтены напряжения на основной площадке от конструкции верхнего строения пути и поездной нагрузки (с учетом требований СТНЦ 01-95 и нормированных коэффициентов надежности). Расчет устойчивости откосов проектного поперечника насыпи высотой 7,51м с текучепластичным суглинком толщиной 5м в основании, проведенный с использованием программного продукта СЕ081ор, показал недостаточное значение коэффициента устойчивости — 0,74.

Регулирование процессов уплотнения активной зоны на первой стадии и устройства геосвай методом вибропогружения на второй стадии комплексной технологии позволило увеличить безопасную нагрузку на грунт в достаточном для восприятия эксплуатационной нагрузки размере (рисунок 3). Однако при реализации метода бурения стабильность основания не была обеспечена, что привело к необходимости устройства георостверка и уменьшения напряжений в межсвайном пространстве на третьей стадии комплексной технологии.

Полученные результаты (см. рис.3) являются свидетельством технологического эффекта, состоящего в возможности регулирования строительных нагрузок и воздействий для повышения прочностных и деформационных характеристик грунтов до значений, обеспечивающих безопасную эксплуатацию насыпи. Контрольный расчет устойчивости проектной насыпи в программном комплексе СЕ051ор показал достаточное значение Куст =1,43.

Н, м .

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00 Рб, кПа

Рисунок 3 - Изменение безопасной нагрузки Р§ на грунт по глубине Н слабого основания по стадиям комплексной технологии (1 - исходные значения Рв\ 2 - после применения первой стадии; 3 - после применения второй стадии; 4 - после применения третьей стадии) Оценка состояния всей толщи (5м) слабого основания под эксплуатационной нагрузкой была выполнена в программном продукте «Prust 2006». Применение комплексной технологии позволило повысить коэффициент безопасности слабого основания до требуемых значений под эксплуатационными нагрузками (минимальное значение Кб =1,08). Опытные расчеты показали, что уплотнение грунтов и устройство георостверка позволяет перейти в сетке геосвай от шага 2м к шагу 2,5м, уменьшить в результате количество свай при обеспечении достаточного коэффициента безопасности грунтов основания. Увеличение шага между геосваями позволяет уменьшить армирование слабого основания и снизить затраты.

Экономическая эффективность применения комплексной технологии уплотнения слабого основания определена по изменению сметной стоимости, в результате сравнения сметной стоимости работ по вырезке слабого грунта - базовому (проектному) варианту на участке сооружения земляного полотна железнодорожной линии Кызыл-Курагино (км. 345 - км. 398), со сметной стоимостью работ по комплексной технологии. Сметная стоимость работ на площадке 100 м2 составила: при вырезке слабого грунта -589 473 руб., при комплексной технологии - 421 310 руб. Анализ сметной стоимости работ по двум вариантам показал, что применение комплексной технологии уплотнения слабых грунтов позволяет снизить затраты на обеспечение стабильности слабого основания на 24%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработанная методика технологического регулирования процессов глубинного уплотнения слабых грунтов состоит в повышении прочностных характеристик за счет взаимосвязанных процессов структурного преобразования основания и управления строительными нагрузками непрерывно в ходе работ. Регулирование основано на принципах прямой и обратной связи между характеристиками грунтов оснований и параметрами строительных нагрузок. Регулируемый режим уплотнения позволяет направленно повышать допустимую технологическую нагрузку и прочностные характеристики грунтов под контролем коэффициента безопасности.

2. Комплексная технология уплотнения слабых грунтов большой мощности должна включать три стадии: формирование рабочей платформы и интенсивное уплотнение активной зоны основания; устройство геосвай и георостверка. Структурные стадии связаны функциональными технологическими блоками в принципиальной схеме, имеющей матричную структуру. Для безопасности технологического регулирования предложены формулы расчета допустимых строительных нагрузок. Технологический эффект состоит в последовательном повышении прочностных характеристик грунтов межсвайного пространства и формировании в верхней части слабого основания уплотненного георостверка для передачи эксплуатационной нагрузки на геосваи.

3. Выбор параметров грунтовых катков для первой стадии и оборудования для устройства геосвай методами бурения и вибропогружения для второй стадии должен выполняться по допустимой технологической нагрузке. Геосвайная структура позволяет целенаправленно регулировать параметры: размещение геосвай, характеристики геотекстильной оболочки, методы свайных работ и параметры нагрузки при устройстве геосвай.

4. Мониторинг состояния слабого основания и технических параметров нагрузок на всех стадиях технологического регулирования должен выполняться полевыми лабораториями на опытных участках и включать ежедневные измерения, анализ динамики характеристик грунтов и расчет безопасной нагрузки.

5. Методы технологического регулирования были проверены в ходе эксперимента по испытаниям геосвайного поля, организованного ФСК «МостГеоЦентр» совместно с Научно-исследовательским институтом мостов и дефектоскопии Росжелдора. Результаты стендового эксперимента

подтвердили расчетные параметры и зависимости относительно влияния комплексной технологии на текучепластичный суглинок по факторам: улучшения прочностных характеристик грунта; разгрузки межсвайного пространства за счет передачи части напряжений на геосваи.

6. Применение разработанных методов технологического регулирования процессов глубинного уплотнения слабых оснований земляного полотна позволяет получить экономический эффект, который включает:

- сокращение сроков работ по обеспечению устойчивости насыпей и стабильности слабого основания и, как следствие, сокращение продолжительности сооружения земляного полотна;

- уменьшение сметной стоимости работ по сооружению земляного полотна. Опытные расчеты для участка железной дороги Кызыл - Курагино были включены в конкурсную документацию ОАО «УСК МОСТ» для открытого конкурса на право заключения государственного контракта по строительству объекта. Они показали возможность: а) снизить затраты за счет применения комплексной технологии упрочнения слабого основания по сравнению с вырезкой и заменой слабого грунта - на 24%; б) увеличить расстояние между геосваями с 2м до 2,5м при обеспечении стабильности основания земляного полотна.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

I. Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Бурукин, А.Ю. Регулирование технологических процессов упрочнения оснований насыпей / А.Ю. Бурукин // Транспортное дело России. - Москва, 2013. -№ 4. - С. 135-138.

2. Бурукин, А.Ю. Экспериментальная технология в геотехнике / А.Ю. Бурукин, С.Я. Луцкий, В.А. Шмелев // Путь и путевое хозяйство. - Москва, 2012.-№ 11.-С. 17-20. (личный вклад 0,2 п.л.).

3. Бурукин, А.Ю. Технологическое регулирование процессов упрочнения слабых оснований / А.Ю. Бурукин, С.Я. Луцкий, В.А. Шмелев // Транспортное строительство. - Москва, 2012. - № 1. - С. 4-9. (личный вклад 0,3 п.л.).

4. Бурукин, А.Ю. Модификация интенсивных технологических режимов / А.Ю. Бурукин, С.Я. Луцкий // Мир транспорта. - Москва, 2011.-№ 2. - С. 92-97. (личный вклад 0,5 п.л.).

5. Бурукин, АЛО. Композитная технология уплотнения слабых оснований / А.Ю. Бурукин, С.Я. Луцкий, В.А. Шмелев // Путь и путевое хозяйство. — Москва, 2010. - № 8. - С. 19-22. (личный вклад 0,3 п.л.).

II. Публикации в научных журналах, сборниках научных трудов и материалов научно-практических конференций

6. Бурукин, А.Ю. Выбор конструктивно-технологических решений земляного полотна на слабых основаниях большой мощности / А.Ю. Бурукин, С.Я. Луцкий, В.А. Шмелев // Материалы восьмой научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». 2 июня 2011 г., г. Москва - Москва: МИИТ. - С. 184-186. (личный вклад 0,2 п.л.).

7. Бурукин, А.Ю. Эффективность композитной технологии/ А.Ю. Бурукин, С.Я. Луцкий, В.А. Шмелев // Строительная техника и технология. -Москва, 2011. - № 8. - С. 60-63. (личный вклад 0,3 п.л.).

8. Бурукин, А.Ю. Технологический эксперимент / А.Ю. Бурукин, С.Я. Луцкий, В.А. Шмелев // Строительная техника и технология. - Москва, 2011.

— № 7. — С. 58—61. (личный вклад 0,2 п.л.)

9. Бурукин, А.Ю. Влияние интенсивной технологии и новой техники на качество земляного полотна / А.Ю. Бурукин // Соискатель (приложение к журналу «Мир транспорта»). — Москва, 2010г. — № 1. — С. 49—52.

10. Бурукин, А.Ю. Влияние интенсивной технологии и новой техники на безопасность сооружения земляного полотна / А.Ю. Бурукин // Материалы Юбилейной десятой научно-практической конференции с международным участием «Безопасность движения поездов», 29-30 октября 2009 г., г. Москва - Москва: МИИТ. - С. 213-214.

11. Способ упрочнения слабого природного основания для возведения дорожного земляного полотна: патент на изобретение 2449075 РФ: МПК Е01С 3/04 / А.Ю. Бурукин, С.Я. Луцкий, В.А. Шмелев // Опубл.: 27.04.2012.

- Бюл. № 12. - 2 с.

БУРУКИН Алексей Юрьевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГЛУБИННОГО УПЛОТНЕНИЯ СЛАБЫХ ОСНОВАНИЙ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность: 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» (технические науки)

Подписано в печать «22» ноября 2013 г. 1,5 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 2738 Издательство ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191. Тел./факс (383) 328-03-81

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

(МГУПС (МИИТ)

На правах рукописи

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГЛУБИННОГО УПЛОТНЕНИЯ СЛАБЫХ ОСНОВАНИЙ ЗЕМЛЯНОГО

ПОЛОТНА

Специальность: 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

(технические науки)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Луцкий Святослав Яковлевич

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОТЕЧЕСТВЕННОГО И ЗАРУБЕЖНОГО ОПЫТА СТРОИТЕЛЬСТВА ЗЕМЛЯНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ..................................................................................9

1.1. Анализ конструктивно-технологических решений по упрочнению слабых оснований земляных сооружений..................9

1.2. Методическое обеспечение современных технологий возведения земляного полотна.......................................................19

1.3. Обзор отечественного и зарубежного практического опыта.......29

1.4. Задачи технологического регулирования процессов глубинного уплотнения слабых оснований............................................................37

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГЛУБИННОГО УПЛОТНЕНИЯ СЛАБЫХ ГРУНТОВ В ОСНОВАНИЯХ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА............40

2.1. Принципиальная схема комплексной технологии уплотнения слабых оснований насыпей......................................................40

2.2. Технологические режимы устройства рабочей платформы (первая стадия комплексной технологии)....................................47

2.3. Выбор технологических параметров при устройстве геосвай и упрочнении межсвайного пространства (вторая стадия комплексной технологии)........................................................................58

2.4. Обоснование технологических параметров устройства георостверка (третья стадия комплексной технологии)..................64

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕТОДОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.....................67

3.1. Опытные расчеты комплексной технологии на примере участка земляного полотна железнодорожной линии................................67

3.2. Организация экспериментального исследования процессов

технологического регулирования................................................91

3.3. Анализ этапов стендового эксперимента................................96

3.4. Мониторинг прочностных и деформационных характеристик слабого основания.................................................................98

ГЛАВА 4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ............................................................................................106

4.1. Оценка влияния технологического регулирования на стабильность слабого основания...........................................................106

4.2. Экономическая эффективность технологического регулирования процессов глубинного уплотнения слабых оснований...........................................................................113

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ...........................................117

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Программа испытаний моделей песчаных свай

в геотекстильной оболочке..............................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Сметный расчет...................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Копия патента на изобретение................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Копия справки о внедрении от НИИ Мостов...................141

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Копия справки о внедрении от

ООО ФСК «МостГеоЦентр»...............................................................143

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Копия справки о внедрении от ОАО «УСК МОСТ».....144

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования обусловлена ростом объемов строительства железных и автомобильных дорог преимущественно в сложных природных условиях. Обеспечение устойчивости земляных сооружений на слабых основаниях является одной из недостаточно изученных проблем безопасности путей сообщения, особенно при большой мощности слабых грунтов. Неравномерные и опасные для эксплуатации деформации земляного полотна приводят к систематическим ограничениям движения транспортных средств, увеличению затрат на текущее содержание и ремонт дорог. В теоретическом плане основное внимание отечественных и зарубежных ученых уделяется совершенствованию способов усиления земляных сооружений, обеспечивающих эксплуатационную устойчивость конструкции. Вместе с тем, влияние строительных процессов и современной техники на физико-механические характеристики слабых грунтов изучено недостаточно. В ходе работ, в зависимости от состава и интенсивности выполнения технологических процессов меняется состояние слабого основания и, как следствие, граничные условия для проектирования. Необходимы новые конструктивно-технологические решения по выполнению требований безопасности земляного полотна уже в строительный период, который является наиболее динамичной частью жизненного цикла основания дорожного земляного полотна.

Целью исследования является повышение прочности и стабильности слабых оснований земляного полотна в строительный период на основе регулирования технологических процессов глубинного уплотнения грунтов.

Объект исследования - технология возведения земляного полотна на слабых грунтах, мощность которых превышает активную зону воздействия поверхностной технологической нагрузки. Разработанные в диссертации методы реализованы на примере водонасыщенных глинистых грунтов.

В диссертации приняты определения и сокращения, не противоречащие действующим стандартам и нормам, а именно: слабые основания - основания

земляного полотна с наличием слоя слабых грунтов; слабые грунты - связные грунты с прочностью на сдвиг при природном залегании меньше 0,075 МПа (испытания приборами вращательного среза), модулем осадки больше 50 мм/м под нагрузкой 0,25 МПа (модуль деформации меньше 5 МПа); водонасыщенные глинистые грунты - глинистые грунты, имеющие степень водонасыщения свыше 0,8 с показателем текучести свыше 0,5 (соответствует мягкопластичному, текучепластичному и текучему состоянию глинистых грунтов); глубинное уплотнение - технологические процессы повышения плотности слабого основания, мощность которого превышает активную зону воздействия поверхностной нагрузки.

Предмет исследования - конструктивно-технологические решения по глубинному уплотнению слабых оснований земляного полотна.

Задачи исследования:

- разработать методы технологического регулирования процессов уплотнения слабых грунтов большой мощности в основании земляного полотна;

- разработать принципиальную схему и состав комплексной технологии устройства геосвай и георостверка для возведения насыпей на слабых основаниях;

- сформировать технологические требования к выбору строительных машин и организации мониторинга состояния грунтов и технологических процессов, обеспечивающих стабильность слабого основания земляного полотна при повышенных строительных нагрузках;

- провести экспериментальное исследование и определить эффективность технологического регулирования глубинного уплотнения слабых грунтов.

Теоретической и методической основой исследования приняты: методология системного анализа в транспортном строительстве, методы конструктивно-технологического проектирования и организации строительного производства, теория механики грунтов и оснований земляных сооружений.

Достоверность результатов обусловлена применением теоретических

основ и объективных методов научного исследования; апробированного программного комплекса расчета стабильности и устойчивости земляного полотна; основных положений теории механики грунтов; соответствием полученных выводов теоретических исследований и экспериментальных результатов, а также практикой реализации результатов в организациях транспортного строительства.

Научная новизна диссертации:

1. Разработана методика технологического регулирования, обеспечивающая повышение стабильности слабых оснований и устойчивости земляного полотна на принципах прямой и обратной связи между характеристиками слабых грунтов, параметрами строительных нагрузок и организационно-технологическими решениями. Новизна методики защищена патентом РФ №2449075.

2. Сформирована принципиальная схема функционирования динамичной системы «слабые основания - геосваи - комплексная технология», включающая направленное регулирование строительных нагрузок и мониторинг состояния грунтов.

3. Разработаны комплексные технологические процессы трех стадий уплотнения слабых оснований большой мощности: устройство рабочей платформы, устройство геосвай и георостверка. Новое качество состоит в реализации максимально допустимых уплотняющих нагрузок под контролем прочности слабых грунтов.

4. Обоснованы параметры регулируемых режимов уплотнения, обеспечивающих стабильность слабого основания земляного полотна при повышенных строительных нагрузках.

Основные результаты исследования, выносимые на защиту:

- принципиальная схема и методика технологического регулирования процессов, основанная на принципах прямой и обратной связи между изменяющимися во времени физико-механическими характеристиками слабых грунтов и параметрами строительных нагрузок;

- комплексная технология глубинного уплотнения слабых грунтов по стадиям: устройство рабочей платформы, устройство геосвай и георостверка в основании земляного полотна;

- способы контроля и обеспечения безопасности каждой стадии комплексной технологии, апробированные в процессе стендовых испытаний;

- методы обоснования параметров строительных машин и регулируемых режимов уплотнения слабых грунтов с учетом устойчивости земляного полотна в строительный период.

Практическая значимость результатов работы:

- разработаны технологические режимы уплотнения слабых оснований земляного полотна геосваями с применением методов вибропогружения и бурения;

- предложены методы определения безопасных строительных нагрузок при уплотнении слабых оснований земляного полотна железных дорог;

- даны практические рекомендации по выбору строительных машин и технологических параметров глубинного уплотнения слабых оснований большой мощности.

Внедрение результатов выполнено в 2010-2012 г. в ООО ФСК «МостГеоЦентр» при подготовке программы стендовых испытаний песчаных свай в геотекстильной оболочке и разработке технологических карт по устройству геосвай методами вибропогружения и бурения. Результаты использованы ОАО «УСК МОСТ» при подготовке конкурсной документации на право заключения государственного контракта на строительство железнодорожной линии Кызыл-Курагино.

Разработанные методы технологического регулирования включены в стандарт организации по композитной технологии упрочнения слабых грунтов СТО ИСМ 58748660-05-2012 и прошли экспериментальную проверку в ходе стендовых испытаний, проведенных в лаборатории Научно-исследовательского института мостов и дефектоскопии Росжелдора при участии автора.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение: на восьмой научно - технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути», посвященной профессору Г.М. Шахунянцу (МИИТ, 2011 г.); на десятой научно-практической конференции с международным участием «Безопасность движения поездов» (МИИТ, 2009 г.); на научно-практических конференциях «Наука МИИТ -транспорту» (МИИТ, 2010-2011 гг.). Диссертация обсуждалась на межкафедральных семинарах СГУПС (г. Новосибирск, 2012 г.) и ТГАСУ (г. Томск, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе пять статей в научных журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, и зарегистрирован патент на изобретение № 2449075 РФ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОТЕЧЕСТВЕННОГО И ЗАРУБЕЖНОГО ОПЫТА СТРОИТЕЛЬСТВА ЗЕМЛЯНЫХ СООРУЖЕНИЙ НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ 1.1. Анализ конструктивно-технологических решений по упрочнению слабых оснований земляных сооружений В данном обзоре проанализированы распространенные в практике транспортного и геотехнического строительства конструктивно -технологические решения по усилению земляного полотна при наличии в основании слоев слабых грунтов большой мощности. Большой вклад в решение проблемы обеспечения прочности и стабильности земляных сооружений на слабых основаниях, в т.ч. при глубоком залегании слабых грунтов внесли основоположники отечественных и зарубежных школ механики грунтов, оснований и фундаментов [65, 86, 88, 82, 91].

Теоретические и методические разработки, применяемые в диссертации, основаны на трудах отечественных и зарубежных ученых по проблемам: научного сопровождения строительства объектов транспорта в сложных инженерных условиях - Переселенкова Г.С., Цернанта A.A. (ЦНИИС); организационно-технологического обеспечения строительства - Воробьева B.C. (СГУПС), Шепитько Т.В. (МИИТ); методологии проектирования и эксплуатации земляного полотна - Шахунянца Г.М., Виноградова В.В., Коншина Г.Г. (МИИТ), Дыдышко П.И. (ВНИИЖТ), Прокудина И.В. (С.-ПбГУПС), Доброва Э.М. (МАДИ), Казарновского В.Д., Кузахметовой Э.К. (СоюзДорНИИ), Ефименко В.Н. (ТГАСУ); обоснования конструкции, моделирования и мониторинга земляного полотна - Яковлевой Т.Г., Ашпиза Е.С. (МИИТ), Исакова А.Л., Смолина Ю.П. (СГУПС), Кемпферта Х.-Г. (Университет г. Кассель, ФРГ), Рейтеля М. (Институт геотехники, г. Кассель, ФРГ); технологии и механизации сооружения земляного полотна - Недорезов И.А., Жорняка С.Г., Орлова Г.Г., Рябова В.П. (ЦНИИС), Луцкого С.Я. (МИИТ), Хархуты Н.Я. (СПбГГТУ) и других известных ученых.

Задача обзора состоит в том, чтобы определить потенциальную возможность использования фундаментальных результатов и закономерностей для исследования глубинных процессов упрочнения слабых грунтов и, вместе с тем, для оценки влияния технологических процессов в ходе работ на прочностные и деформационные характеристики оснований. К такому подходу есть предпосылки: прочностные характеристики грунтов (сцепление, угол внутреннего трения) зависят от напряжений, вызванных строительными нагрузками в виде воздействий строительных машин на основания земляных сооружений. Представляет также интерес обобщение зарубежного опыта глубинного уплотнения слабых оснований и его сравнение с отечественной практикой транспортного строительства.

Для слабых оснований большой мощности наиболее эффективным конструктивным методом глубинного упрочнения является армирование свайными конструкциями.

Усиление слабых оснований грунтовыми сваями. В соответствии с [11, 12, 72] для повышения прочности и снижения осадки слабых грунтов в основании земляного полотна применяют песчаные сваи. Сваи устраивают методом вибропогружения (вытеснения грунта) или бурения в обсадной трубе. В плане их располагают по диагональной или квадратной сетке. Главным параметром является параметр «т» - сближение свай (параметр «т» определяется отношением диаметра свай с1 к расстоянию между ними /), при котором коэффициент запаса (или безопасности) Кбез = 1,0, т.е. при обеспечении безопасного состояния слабых грунтов за счет перераспределения эксплуатационной нагрузки между грунтом основания и сваями. Расчёт параметра «т» производится по данным таблиц [72], в которых представлены отношения: Рг / Р0 (вертикальные напряжения в межсвайном пространстве / полные напряжения), Рх / Ро (горизонтальные напряжения от сваи / полные напряжения) при различном сближении свай, зависящем от коэффициента давления свай бокового расширения основания /и; относительной осадки основания Я [72].

Параметры упрочнения основания песчаными сваями представлены на

рисунке 1.1 [11].

X

8

Г Т - "1 -1111

о:

х/2

т *—±

"Г ~ Г - Т " 1 1 1

+ + + + +

+

+ X +.

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

+ .©I

и

П -|--г-т--,--|- |--г-т -1--|--Г-Т ТП'-Г'Г Т I I I

/ I + + +1

-Рс

Pz Ро

Ь_±1_

ТТТТ'!111111

• Рх

\ ь + +

+ -

■ + >

+

) - +

+

+

+ + +

+ + +

+ + +

I + +

!. +о! +

+ + Т-ч

+ н —н

5х/2

Рисунок 1.1 - Параметры упрочнения основания песчаными сваями: Н - высота слабой толщи; (1 - диаметр сваи; 1 - расстояние между сваями; Бх/ 2 - деформация сваи; Р2 - нагрузка на поверхность основания; Р о - нагрузка от насыпи; Рс - нагрузка на поверхность сваи.

Для определения величины сближения свай ттр необходимо определить коэффициент давления свай на грунт £ и коэффициент расширения слабого грунта основания /1.

Значения и ц рассчитываются по формулам [11]:

/1 • \ /1 г-Бт^х

£ =-2-

1+8Н1<р

где (р - угол внутреннего трения песка в сваях (град.);

0,76 -еа

(1.1)

(1.2)

1+0,76-е0 '

где е 0 - исходный коэффициент пористости слабого грунта.

По найденной величине сближения свай (ттр = с1/Р) подбирается диаметр свай с1 и расстояние между сваями I. Диаметр и расстояние между сваями в свету принимается в пределах величины сбли