автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Упрочнение земляного полотна железных дорог объемным многоэлементным армированием

На правах рукописи

ОВЧИННИКОВ Станислав Александрович

УПРОЧНЕНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ОБЪЕМНЫМ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМ АРМИРОВАНИЕМ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2014

005557979

005557979

Работа выполнена на кафедре «Геология, основания и фундаменты» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС).

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Ланис Алексей Леонидович

Официальные оппоненты: Луцкий Святослав Яковлевич

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Проектирование и строительство железных дорог» ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»;

Колос Алексей Федорович

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Строительство дорог транспортного комплекса» ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I»;

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Дальневосточный

государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «10» декабря 2014 г. в 10— ч. на заседании диссертационного совета ДМ 218.012.01 при ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191, ауд. 224, e-mail: Lys@stu.ru, тел. +7 (383) 328-04-86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» (www.stu.ru).

Отзывы на диссертацию и автореферат диссертации, с указанием Ф.И.О., почтового адреса, телефона, адреса электронной почты, наименования организации и должности, подписанные и заверенные печатью организации, в двух экземплярах просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан «17» октября 2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В соответствии с программой инновационного развития ОАО "Российские железные дороги" на период до 2015 г. планируется привести земляное полотно и искусственные сооружения к осевым нагрузкам 25 тс и погонным нагрузкам 10,5 т/м. Значительным сдерживающим фактором на пути достижения поставленной цели является наличие дефектного земляного полотна, протяженность которого оценивается специалистами ориентировочно в 6% от общей протяженности сети железных дорог. На всем этом протяжении нижнее строение пути работает на пределе своей несущей способности и повышение нагрузки на него может привести к критическим последствиям.

В этой связи особо актуальным становится вопрос повышения несущей способности эксплуатируемого земляного полотна. В сложившейся ситуации приоритетным направлением является совершенствование методов упрочнения земляного полотна, позволяющих эффективно производить проектирование и усиление эксплуатируемого инженерного сооружения без ограничения движения.

В настоящее время приобретают широкое распространение способы глубинного уплотнения, армирования и упрочнения грунтов, позволяющие проводить работы с откосов и обочин земляного полотна. Однако данные способы имеют ограничения в случае ликвидации балластных углублений земляного полотна поздней стадии развития, характеризующихся началом оползневых подвижек откосных частей. Направление исследований упрочнения земляного полотна, ослабленного балластными углублениями поздней стадии развития, является перспективным и актуальным, требующим комплексного подхода. Исследования должны быть направлены на эффективное усиление грунтов насыпи без перерывов в движении поездов, что, в свою очередь, может стать существенным шагом вперед в решении вопроса упрочнения земляного полотна.

Выбранное направление исследования согласуется с приоритетными направлениями развития науки Российской Федерации, перечень которых утвержден Указом Президента Российской Федерации в части развития транспортных систем, и позволяет повысить экономичность перевозок за счет снижения расходов на текущее содержание железнодорожной линии.

Степень разработанности. Изучению характера возникновения и развития деформаций откосных частей земляного полотна посвятили труды следующие ученые: Г.М. Шахунянц, Е.С. Ашпиз, В.В. Виноградов, Т.Г. Яковлева, В.И. Грицык, Г.М. Моченов, Г.Г. Коншин, Г.М. Стоянович, И.В. Прокудин, В.П. Титов, Н.Г. Грушевой, А.Г. Полевиченко и др.

Исследованию армирующих конструкций посвятили труды Е.С. Ашпиз, Д.В. Волоцкий, П.И. Дыдышко, Л.Г. Ибадуллаева, A.JI. Исаков, В.Ф. Калганов, Т. П. Кашарина, А.Ф. Колос, М.Я. Крицкий, С.Я. Луцкий, Э.А. Малоян, А.И. Мороз, Г.С. Переселенков, А.И. Песов, Б.Г. Петров, A.B. Петряева, П.Г. Пешков, H.A. Подпрядов, С.П. Преображенский, Ю.Б. Рейфисов,

A. П. Родькин, Ю.Н. Савельев, Е.С. Свинцов, Г.А. Скормин, М.И. Смородинов,

B.М. Страмоу, С.Д. Филимонов, Б. X. Фоксов, A.A. Цернант, Н.М. Abuel-Naga, D.T. Bergado, К.Д. Джоунс, Дж.П. Жиро, P.V. Palmeira, N. Тира и др.

Исследования инъекционных методов получили широкое распространение в области гражданского строительства и связаны с именами таких отечественных и зарубежных ученых, как И.М. Литвинов, С.Д. Воронкевич, Л.В. Гончарова, Д.В. Волоцкий, В.И. Осипов, А. Камбефор, Б.Н. Мельников, H.A. Цытович, Г.Н. Никольская, Б.Н. Ржаницын, А.Н. Адамович, М. Люжон, Ф. Мулдер, В.К. Витке и др.

Объект исследования: железнодорожное земляное полотно, упрочненное методом армирования.

Предмет исследования: закономерности изменения механических характеристик грунтов земляного полотна при усилении их армированием.

Цель работы состоит в повышении устойчивости откосных частей насыпей земляного полотна железных дорог путем упрочнения грунтов объемным многоэлементным армированием.

Поставленная цель достигается в ходе решения следующих задач:

1. Провести анализ работы армирующих конструкций при различных схемах упрочнения и разработать расчетную схему упрочнения откосных частей и основной площадки насыпи, ослабленных балластными углублениями.

2. Установить границы области изменений механических характеристик грунтового массива при использовании объемного многоэлементного армирования.

3. Определить закономерности изменения механических характеристик грунтового массива при упрочнении его объемным многоэлементным армированием.

4. Разработать способ упрочнения земляного полотна железных дорог для обеспечения устойчивости откосных частей армированием, а также рекомендации по определению параметров и расчету упрочненного земляного полотна.

Методология и методы исследования. Поставленные задачи решены в ходе теоретических и экспериментальных исследований. Расчет напряженно-деформированного состояния земляного полотна выполнен с использованием

метода конечных элементов, в программном комплексе «Midas». Полевые эксперименты выполнялись на полномасштабных моделях насыпи. Разработка способа проведена с учетом опыта отечественных и зарубежных исследований.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан способ упрочнения земляного полотна объемным многоэлементным армированием, состоящий в формировании в массиве грунта объемной анизотропной структуры из горизонтально ориентированных линейных армирующих элементов, объединенных в единый каркас вертикально ориентированными элементами, сформированными путем нагнетания твердеющего раствора.

2. Установлены основные зависимости изменения механических характеристик упрочненного слоя от параметров упрочнения - глубины заделки в устойчивые слои грунта, шага расстановки точек инъекции раствора, шага стержней в горизонтальной плоскости.

3. Установлено, что применение объемного многоэлементного армирования позволяет повысить модуль деформации армированной среды до 45 МПа, предельное давление на кровле армированной среды — до 0,89 МПа.

4. Установлены условия применения способа объемного многоэлементного армирования, отражающие минимальные значения характеристик грунтов, слагающих область насыпи, сопряженную с ослабленной зоной: модуль деформации Е - не менее 11 МПа, удельное сцепление грунта с - не менее 0,012 МПа, угол внутреннего трения <р — не менее 18°.

Теоретическая и практическая значимость работы. Проведена модернизация существующей математической модели, используемой в численном моделировании в совокупности с алгоритмом расчета напряженно-деформированного состояния железнодорожной насыпи, обеспечившая получение новых результатов по теме диссертационной работы.

Результаты исследования отражены в методике, позволяющей выполнять проектирование и осуществление упрочнения земляного полотна способом объемного многоэлементного армирования.

Способ упрочнения земляного полотна для обеспечения устойчивости откосных частей объемным многоэлементным армированием внедрен при проектировании на объекте Красноярской железной дороги.

Положения, выносимые на защиту:

1) способ упрочнения земляного полотна объемным многоэлементным армированием;

2) результаты численного исследования работы армирующих конструкций при упрочнении откосов земляного полотна;

3) результаты экспериментальных исследований при упрочнении откосов земляного полотна объемным многоэлементным армированием;

4) методика проектирования и реализации способа упрочнения земляного полотна объемным многоэлементным армированием.

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность полученных результатов подтверждается:

- применением сертифицированных и поверенных приборов, оборудования и средств измерения;

- применением детально проработанной методики, основанной на использовании современных средств обработки опытных данных;

- воспроизводимостью результатов, подтвержденной большим объемом экспериментальных исследований;

- согласованием экспериментальных данных с известными примерами работы армирующих конструкций;

- результатами внедрения предложенных решений при проектировании на объектах железнодорожного транспорта.

Положения диссертационной работы обсуждались на международной научно-практической конференции, посвященной 200-й годовщине победы России в Отечественной войне 1812 г. (Россия, Пермь, 2012 г.); на Девятой научно-технической конференции с международным участием «Чтения, посвящённые памяти профессора Г.М. Шахунянца» (Россия, Москва, 2012 г.); на Одиннадцатой научно-технической конференции с международным участием «Чтения, посвящённые памяти профессора Г.М. Шахунянца» (Россия, Москва, 2014 г.).

Личный вклад автора состоит в:

- разработке и реализации программы экспериментальных и теоретических исследований;

- установлении зависимостей механических характеристик упрочненной среды от параметров армирования;

- разработке методики проектирования и реализации упрочнения земляного полотна, а также в получении зависимостей для определения параметров грунтового массива, упрочненного объемным многоэлементным армированием;

- научном обосновании и разработке способа упрочнения земляного полотна, защищенного патентом РФ на изобретение, в соавторстве с научным

руководителем канд. техн. наук, доц. A.JI. Ланисом и старшим научным сотрудником ФГБОУ ВПО СГУПС В.Ф. Скоркиным.

Публикации и изобретения. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в шести печатных работах общим объемом 2,37 п. л. (в том числе авт. 1,78 п. л.), среди них две работы объемом 1,01 п. л. - в ведущих научных рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки России. По результатам исследований получен патент РФ на способ ремонта железнодорожного земляного полотна.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и библиографического списка. Объем диссертационного исследования - 162 страницы основного текста, 85 рисунков, 22 таблицы. Список литературы включает 140 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе работы выполнен обзор исследований по деформациям земляного полотна и способов упрочнения деформирующихся откосов насыпи, проведен анализ работы армирующих конструкций при различных схемах упрочнения, разработана расчетная схема упрочнения откосных частей насыпи, дано обоснование выбранного направления работы и сформулированы задачи исследования.

Изучению характера возникновения и развития дефектов и деформаций откосных частей земляного полотна посвятили труды следующие ученые: Г.М. Шахунянц, Е.С. Ашпиз, В.В. Виноградов, Т.Г. Яковлева, В.И Грицык, Г.М. Моченов, Г.Г. Коншин, Г.М. Стоянович, И.В. Прокудин, В.П. Титов, Н.Г. Грушевой и др.

Анализ опыта армирования земляного полотна показывает, что армирующие элементы необходимо дифференцировать по принципиальной расчетной схеме их работы. При этом создание достаточного сцепления между заполнением балластного углубления и армирующим элементом возможно путем применения объемной схемы расположения элементов конструкции армирования. В этом случае прочность конструкции, состоящей из объемного элемента и заключенного в нем грунта, зависит в основном от прочности армирующего элемента. С учетом данного обстоятельства, а также опыта армирования оснований дорожных насыпей разработана конструкция объемного многоэлементного армирования (рисунок 1).

Таким образом, сущность предложенной схемы усиления грунтов состоит в формировании в теле земляного полотна объемной анизотропной структуры, состоящей из горизонтально ориентированных линейных армирующих элементов, объединенных в единый каркас вертикально ориентированными столбами

неправильной формы, образованными путем нагнетания в определённые области насыпи твердеющего раствора.

Плоский армирующий

Рисунок 1 — Устройство объемного армирующего элемента в теле насыпи Для подтверждения эффективности работы данной конструкции необходимо провести исследования, позволяющие определить границы применения способа, а также получить данные, позволяющие выполнять проектирование упрочнения земляного полотна предложенным способом.

Учитывая специфику решаемых задач, исследование работы данной конструкции следует проводить с использованием различньк способов моделирования. При этом применение независимых способов моделирования позволит осуществлять операционный контроль получаемых данных и своевременно вносить коррективы в программу исследований. На основании проведенного анализа для исследований приняты методы численного и натурного моделирования.

Во второй главе представлены результаты численного моделирования работы армирующих конструкций. Состав исследований схематично отображен на рисунке 2.

Моделирование работы насыпи и элементов армирования выполнялось с применением стандартных модулей программы Midas GTS2012. Для этого предварительно создавалась геометрическая модель насыпи и элементов армирования с использованием графического трехмерного редактора программного комплекса AutoCAD 2012. Созданная геометрическая модель экспортировалась в виде структурного каркаса в программную среду. Стержневое крепление создавалось эластичными линейными элементами круглого поперечного сечения, моделируемыми изотропным материалом, характеризующимся модулем упругости Е и коэффициентом Пуассона v. Построение грунтовой среды и массивов инъекционного упрочнения выполнялось на базе модели идеально пластичной среды Кулона-Мора, использующей основные параметры пластичности, - удельное сцепление с, угол внутреннего трения <р, коэффициент дилатансии у/, модуль Юнга £ и коэффициент Пуассона v.

Рисунок 2 - Алгоритм проведения численного моделирования

В составе первого блока выполнен комплекс расчетов:

1) армирование отдельными параллельными стержнями, ориентированными перпендикулярно откосу, расположенными в четырех уровнях по высоте насыпи;

2) армирование отдельными перекрестно расположенными стержнями, внедренными в насыпь под углом 30°, к откосу в четырех уровнях по высоте насыпи;

3) армирование насыпи отдельными массивами упрочненного грунта, расположенными в двух уровнях по высоте насыпи;

4) армирование насыпи объемным многоэлементным армированием, параметры которого определены путем совмещения варианта перекрестного расположения стержней с вариантом точечного инъецирования раствора.

Проведенные исследования позволили определить, что перекрестное расположение элементов стержневого крепления обеспечивает совместную работу всех стержней в одном ярусе, что увеличивает сопротивления сдвигу. Создание в теле земляного полотна объемного многоэлементного армирования позволяет существенно уменьшить сжимаемость и увеличить сопротивление сдвигу фунта в пределах упрочняемой толщи (рисунок 3).

Осадка основной площадки в зависимости от действующей нагрузки графически представлена на рисунке 4. При устройстве объемного многоэлементного армирования возможно повысить нагрузку на ось состава до 31,2 т, что в 2 раза больше, чем существующая расчетная нагрузка.

Рисунок 3 - Общий вид деформаций насыпи упрочненной объемным многоэлементным армированием (в осях ^ 2)

Рисунок 4 - Графики осадки моделей насыпи: а — неупрочненная насыпь; б - насыпь, упрочненная отдельными инъекционными массивами; в - насыпь, упрочненная отдельными параллельно расположенными стержнями; г - насыпь, упрочненная перекрестно расположенными стержнями; д - насыпь, упрочненная объемным многоэлементным армированием Моделирование работы фрагмента насыпи во втором блоке исследований позволило получить результаты, указывающие на то, что создание стержневого крепления повышает устойчивость откосных частей насыпи за счет передачи части напряжений, формирующихся при возникновении подвижек грунта, на прочное ядро насыпи. При этом наиболее эффективная работа стержневого крепления достигается за счет перекрестного расположения стержней: происходит более равномерное распределение напряжений в системе, возникает дополнительное сопротивление прорезанию грунта в узлах пересечения стержней, возникает эффект защемления грунта. Результаты данного блока исследования выражены графически через перемещение (крен) штампа (рисунок 5), что позволило в дальнейшем провести корреляционный анализ с данными натурного моделирования.

Давление на основной площадке, кПа

100,00 75,00 50,00 25,00 0,00

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Давление по подошве штампа, МПа

11

б)

80,00

г

Е„ 60,00 а

1 40,00 | 20,00 £ 0,00

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Давление по подошве штампа, МПа

60,00

I 20,00

и

3 0,00

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Давление по подошве штампа, МПа

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Давление по подошве штампа, МПа

Рисунок 5 - Графики крена штампа при расчетах фрагментов насыпей: а — неупрочненная насыпь; б - насыпь, упрочненная отдельными параллельно расположенными стержнями; в — насыпь, упрочненная перекрестно расположенными стержнями; г - насыпь, упрочненная объемным многоэлементным армированием Полученная конструкция позволяет исключить деформации сдвига и ограничить перемещения вертикальной плоскостью. Качественная картина деформаций в этом случае в полной мере отвечает первому блоку исследований, что позволяет сделать вывод о правомочности применения фрагментированного моделирования насыпи при проведении натурных исследований.

Определение граничных условий применения способа выполнялось при вариационном изменении параметров грунта для однопутного участка железной дороги. При этом функцией отклика являлись значения абсолютного и относительного деформирования системы (рисунок 6). Изучение данных о деформировании насыпи при изменении грунтовых условий ослабленной зоны показало, что при использовании объемного многоэлементного армирования изменения характеристик ослабленной зоны не отражаются на общих деформациях насыпи (разброс деформаций находится в пределах 5%, без определенного тренда их изменения). При этом существенное влияние на работу конструкции оказывают характеристики грунта, слагающего область насыпи, сопряженную с ослабленной зоной, в которую осуществляется заделка. Анализируя полученные значения перемещений (рисунок 7), можно сказать, что работа системы будет обеспечена в случае, если слои грунта, в которые осуществляется заделка, будут представлены пылеватыми суглинками, находящимися в состоянии от

твердой до тугопластичной консистенции. Данные слои фунта должны обладать следующими показателями механических характеристик: модуль деформации Е - не менее 11 МПа, удельное сцепление фунта с - не менее 0,012 МПа, угол внутреннего трения (р- не менее 18°.

О ООО 1080 030 2160.06 Т 3240.091 4320 121

Рисунок 6 - Схема размещения контрольных точек

Рисунок 7 - Графики перемещений контрольных точек

Следует отметить, что устройство объемного многоэлементного армирования возможно также в фунтах с более низкими характеристиками. При этом следует предусматривать дополнительные работы по упрочнению фунта в зоне заделки каркаса.

В третьей главе диссертации представлены результаты натурных экспериментальных исследований. Состав работ, включающий два блока исследований, представлен на рисунке 8.

Исследования проводились на масштабных моделях фрагментов насыпи, в полевых условиях (рисунок 9). Для проведения эксперимента вскрыт котлован размерами в плане 1,5 х 4,0 м, изготовлен штамп (5 ООО см2), выполнены анкерная конструкция, состоящая из ригелей и анкерных шнеков, а также реперная система, позволяющая фиксировать перемещения штампа с заданной точностью.

Проведение первого блока исследований направлено на получение фактических данных о работе модели фрагмента насыпи, упрочненной армирующими консфукциями. Результаты исследований послужили базой для корреляционного анализа данных численного и натурного моделирования.

Эксперимент проводился с использованием трех схем упрочнения слабого прослоя в откосной части насыпи, описанных выше, кроме того, были испытаны модели неупрочненного грунта с целью получения данных об изменениях в работе насыпи после введения в него армирующих элементов.

II БЛОК

_ г _

Проведение неполного многофакторного экспериментального исследования работы

объемного многоэлементного армирования И

Получение зависимости прочностных и деформационных характеристик упрочненного грунта от параметров армирования

3

Разработка рационального технического решения по упрочнению насыпи объемным

многоэлементным армированием

_

I БЛОК

Г

Исследование работы фрагментов насыпей, упрочненных в соответствш! со схемами, приведенными во втором блоке численного моделирования _

Г

Корреляционный анализ данных численного и натурного моделирования

Рисунок 8 — Последовательность проведения экспериментальных исследований

Рисунок 9 - Испытание модели насыпи: а - общий вид испытания фрагмента насыпи; б - предельный перекос штампа Отмечено, что введение в ослабленный массив грунта параллельно расположенных стержней позволяет повысить критическую нагрузку на кровле модели на 42%, а упрочнение насыпи системой перекрестно расположенных - на 56% (в сравнении с базовой моделью насыпи). Создание в теле насыпи конструкции объемного многоэлементного армирования позволяет внести наиболее существенные изменения в работу модели насыпи, что характеризуется увеличением критической

нагрузки до 61% и кардинальным изменением характера деформирования. Крен штампа на равнозначных ступенях нагрузки уменьшается на 94%.

Второй блок исследований основан на многофакторном анализе системы армирующей конструкции и включает в себя серию экспериментов по определению влияния различных параметров армирования на изменение критической нагрузки, при которой происходят необратимые деформации системы.

Схема проведения экспериментов приведена на рисунке 10.

В - глубина заделки элементов армирования в прсчный массив грунта;

1.- шаг расстановки точек инъекции раствора (в зависимости от расположения узлов пересечения сетки стержней);

а - угол забивки стержней в плане;

И - шаг расстановки стержней {рассчитан исходя из диаметра стержня, равного 6 мм)

Рисунок 10 - Схема проведения экспериментальных исследований второго блока

Исследования выполнялись на основе неполного многофакторного анализа по методу латинских квадратов с использованием в качестве основы модели насыпи, упрочненной объемным многоэлементным армированием, для четырех факторов:

1) шаг стержней в одном ярусе - от 50с? до 20с?;

2) глубина заделки в прочный массив фунта - от 1Ъ до 0,256, м;

3) угол забивки стержней - от 20° до 40°;

4) шаг расстановки точек инъекции раствора - от кавдого 4-го узла пересечения стержней до каждого последующего.

Основное влияние на работу объемного многоэлементного армирования оказывают три из четырех исследуемых параметров. Итоговый вид фафиков зависимости деформационных и прочностных характеристик армированной среды от параметров армирования представлен на рисунке 11.

у = 3,778х-

■ 46,725х t-723,93

= 0,9978

6 4 2 0

Шаг расстановки точек инъекции раствора

. 42 1 40 § 38

я 36 | 34

I С 32

§■2 30 -е-

5 28 * 26

6 24

I 0,00 0,50 1,00 1,50 Глубина заделки элементов армирования

§ 24

10,0 30,0 50,0 70,0 Шаг стержней в горизонтальной плоскости

у = -0,16|86х2 + 17, Т&т

ЗЗЗх +

10,0 30,0 50,0 70,0 Шаг стержней в горизонтальной плоскости

800 ¡у = 750

89,01 ТГ9994

542,6

Глубина заделки элементов армирования

6 4 2 0

Шаг расстановки точек инъекции раствора

Рисунок 11 - Итоговые графики зависимости механических параметров армированной среды от параметров армирования

Результирующее влияние на изменение сжимаемости упрочненного слоя оказывает шаг расстановки массивов упрочненного фунта. Глубина заделки элементов армирования в прочные слои фунта в этом случае эффективно повышает деформационные характеристики до определенного предела. Границей эффективности в этом случае является величина 0,8 6 (где Ь - ширина ослабленной зоны).

Шаг расстановки стержней также оказывает существенное влияние, поскольку происходит увеличение количества узлов пересечения, а следовательно, возрастает количество точек инъецирования, а также при уменьшении размеров ячейки происходит более эффективное распределение давления на кровле упрочненного слоя.

Средняя генеральная линия фафиков позволяет выделить наиболее рациональное сочетание параметров армирования. При этом следует различать рациональное сочетание параметров армирования в случаях повышения устойчивости и уменьшения сжимаемости. В первом случае рациональное сочетание параметров устанавливается при 0,656, 32d и в каждом третьем узле инъецирования раствора, а во втором случае - при 0,456,40<з? и также в каждом третьем узле инъецирования раствора.

Изменение предельного давления на кровле упрочненного массива в основном определяется парамефами стержневой части конструкции. При этом результирующее влияние имеет глубина заделки конструкции в прочные слои фунта, а шаг расстановки стержней имеет определённый предел повышения эффективности, равный 35d (где d-диаметр стержня).

В четвертой главе диссертации разработана методика реализации способа упрочнения железнодорожной насыпи объемным многоэлементным армированием, алгоритм которой представлен на рисунке 12.

На основании исходных данных производится построение расчетной модели в профаммной среде Midas GTS2012 и выполняется расчет напряженно-деформированного состояния земляного полотна. Полученные в ходе расчетов данные служат для анализа фактического состояния земляного полотна, что необходимо для определения направления дальнейшего развития деформаций, построения поверхности обрушения откоса и установления величины сжатия ослабленных зон. На основе фактических значений действующих напряжений и величины сжатия ослабленной зоны выполняется фафический подбор основных параметров упрочнения земляного полотна объемным многоэлементным армированием по зависимостям, полученным в ходе выполнения экспериментальных исследований (см. рисунок 11).

Основные параметры армирования служат для выбора зависимых параметров. Ниже представлен полный перечень параметров, определяющих работу системы объемного многоэлементного армирования.

Основные параметры: количество уровней армирования и их положение в поперечном сечении насыпи; глубина заделки элементов армирования в прочный массив грунта; шаг расстановки стержней; количество точек инъекции раствора.

Рисунок 11 — Алгоритм упрочнения земляного полотна с использованием способа упрочнения грунтов объемным многоэлементным армированием

Зависимые параметры: длина стержня /с; диаметр стержня ¿4; угол забивки стержня в горизонтальной плоскости, относительно линии откоса сооружения а; расстояние по вертикали между рядами стержней в одном уровне армирования 5; расстояние между уровнями армирования в вертикальной плоскости 5"; места расположения и глубина дренажей; объем упрочняемого грунта Кзак; объем и рецептура твердеющего раствора Краст; рабочее давление инъекции Р и критерии «отказа».

Количество каркасов и их положение в поперечном сечении насыпи определяются дефицитом несущей способности грунтов и положением зон ослабления. На рисунке 13 приведены возможные варианты расположения армирующих элементов.

а) б) в)

1 а. } Балластное

/(ПК

л ! г

А 1 I х Сильно с*

\/ Яв|

Рисунок 13 - Возможные варианты расположения армирующих элементов: а - повышение стабильности основной площадки; б - повышение устойчивости откосов; в — уменьшение сжимаемости ядра насыпи

Внедрение способа упрочнения земляного полотна объемным многоэлементным армированием выполнено на участке железнодорожной насыпи участка Междуреченск - Тайшет Красноярской железной дороги, 961км ПК 5 Абакумовской дистанции пути.

В пределах откоса рассматриваемой насыпи образовались потенциальная поверхность сплыва и четко прослеживаемая граница отрыва откоса. Упрочнение насыпи с использованием разработанного способа позволило достичь коэффициента надежности (устойчивости) сооружения 1,26 при нормативном значении 1,20.

На основании выполненных расчетов установлено, что сметная стоимость устройства гравитационного поддерживающего сооружения в текущем уровне цен составляет 14 867,104 тыс. р., объемного многоэлементного армирования - 4 719,008 тыс. р., иными словами - экономия капитальных вложений составляет 68,3 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенных исследований достигнута поставленная цель и получены следующие результаты.

1. Определена наиболее эффективная схема упрочнения земляного полотна, ослабленного балластными углублениями. Данная схема предусматривает перекрестную забивку стержневых армирующих элементов в нескольких горизонтальных плоскостях и последующее объединение их в единый каркас столбами затвердевшего раствора. В результате удалось достигнуть увеличения предельного давления на основной площадке в 1,5 раза в сравнении с неупрочненной насыпью. При этом нагрузка на ось подвижного состава увеличена до 31 т.

2. Установлен предел минимально допустимых значений механических характеристик грунта, сопряженного с ослабленной зоной насыпи, при использовании объемного многоэлементного армирования: модуль деформации Е - не менее 11 МПа, удельное сцепление грунта с — не менее 0,012 МПа, угол внутреннего трения <р — не менее 18°. В случае, если данный грунт обладает более низкими характеристиками, необходимо предусматривать дополнительную проработку его инъецированием.

3. Получены основные зависимости изменения механических характеристик упрочненного слоя от параметров армирования (см. рисунок 10), по которым установлены эффективные параметры армирования — глубина заделки элементов армирования, шаг расстановки точек инъекции раствора, шаг стержней в горизонтальной плоскости. Также установлено, что применение объемного многоэлементного армирования позволяет повысить модуль деформации армированной среды до 45,1 МПа, предельное давление на кровле армированной среды -до 0,890 МПа.

4. Разработан способ упрочнения земляного полотна железных дорог для обеспечения устойчивости откосных частей объемным многоэлементным армированием, включающий методику его проектирования и реализации. Получен патент РФ на способ усиления земляного полотна. Способ апробирован при проектировании закрепления откосов земляного полотна на опытном участке. Экономическая эффективность использования способа в сравнении с устройством гравитационной поддерживающей конструкции составляет 68,3 %.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

Публикации в ведущих научных рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК

Минобрнауки России:

1. Овчинников С.А. Укрепление земляного полотна - объемными армирующими конструкциями//Известия Транссиба,-2013.-№3 (15).-С. 120-125.

2. Овчинников С.А. Исследование влияния параметров армирования на механические характеристики упрочненной насыпи // Науковедение: интернет-журнал. -2014. -№1 (20). Идентификационный номер статьи в журнале - 26TVN114.

Публикации в журналах и научных сборниках:

3. Ланис А.Л., Овчинников С.А. Восстановление эксплуатационной надежности земляного полотна дорог // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе Под ред. Б.С. Юшкова - Пермь: Изд-во Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2012. - С. 48—56;

4. Ланис А.Л., Овчинников С.А. Закрепление земляного полотна железных дорог, разработка методики и экспериментальные исследования закрепления железнодорожной насыпи армированием // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути: Девятая научно-техническая конференция с международным участием. «Чтения, посвященные памяти профессора Г.М. Шахунянца». - М., 2012. - С. 46 - 52.

5. Патент RU 2012112721. Способ укрепления откосов земляного полотна / A.JI. Ланис, С .А. Овчинников, В.Ф. Скоркин; СГУПС. - Заявл. 02.04.2012; Решение о выдаче патента 26.09.2013.

6. Овчинников С.А. Использование армирующих конструкций при упрочнении земляного полона железных дорог // Достижения вузовской науки. - 2014. - №8. - С. 56 -61.

ОВЧИННИКОВ СТАНИСЛАВ АЛЕКСАНДРОВИЧ

УПРОЧНЕНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ОБЪЕМНЫМ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМ АРМИРОВАНИЕМ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

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

Подписано в печать «07» октября 2014 г.

1,0 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ №2839 Издательство ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» 630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191. тел. (383) 328-03-81. e-mail: bvu@mail.ru