автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Защита земляного полотна от размыва на прижимных участках железных дорог конструкциями из старогодних железобетонных шпал

МПС РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

На правах рукописи

Лупина Татьяна Авинеровна

УДК 625.122:624.137:625.12.033.37 Л 82

ЗАЩИТА ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ОТ РАЗМЫВА НА ПРИЖИМНЫХ УЧАСТКАХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ КОНСТРУКЦИЯМИ ИЗ СТАРОГОДНИХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ

05.22.06 - Железнодорожный путь

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Ю.В. Писарев

Научный консультант кандидат технических наук, профессор Э.В. Воробьев

Москва -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

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

1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, РАСЧЕТА И ЭКСПЛУАТАЦИИ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПО ЗАЩИТЕ ОТКОСОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОДНЫХ ПОТОКОВ. 6

1.1 . Применяемые конструкции и обобщение опыта эксплуатации... 8

1.2. Действующие нормы и методы расчета.................................. 20

1.3. Цель и задачи исследования................................................ 24

2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТКОСОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ОТ РАЗМЫВОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ИХ СООРУЖЕНИЯ......................................................... 27

2.1. Анализ возможностей использования железобетонных шпал в

конструкциях защиты откосов < земляного полотна от размывов....................................... ...'.. ....:...................... 27

2.1.1.Анализ конструктивных особенностей железобетонной шпалы........................................................................ 27

2.1.2.Возможность использования железобетонных шпал с экологической точки зрения.......................................... 28

2.2. Варианты конструкций......................................................... 31

2.2.1.Плоские конструкции.................................................. 31

2.2.2.Объемные конструкции............................................... 32

2.3. Организация и технология работ по защите земляного полотна

от размыва................................................................................................................................................45

2.3.1.Организация и технология работ по защите земляного

полотна от размыва плоской конструкцией..........................................45

2.3.2.Организация и технология работ при устройстве

защитного сооружения из объемных конструкций........................52

Выводы по 2 главе................................................................................................................................55

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЛОСКОЙ КОНСТРУКЦИИ ИЗ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ........................................................................57

3.1. Методика моделирования..........................................................................................................57

3.2. Методика лабораторных исследований..................................................................62

3.2.1. Выбор вариантов моделей для проведения опытов................62

3.2.2. Описание экспериментальной установки..............................................69

Выводы по 3 главе..............................................................................................................................73

4. АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЛОСКОЙ КОНСТРУКЦИИ............ 74

4.1. Описание экспериментов и их результаты.............................. 74

4.2. Обработка результатов экспериментов................................... 80

4.3. Оценка точности результатов экспериментов.......................... 89

4.4. Анализ и обобщение результатов экспериментов..................... 93

Выводы по 4 главе............................................................... 100

5. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ЗАЩИТЕ ОТКОСОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ОТ РАЗМЫВОВ КОНСТРУКЦИЯМИ ИЗ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ............................................................................................... 102

5.1. Рекомендации по гидравлическим расчетам плоской конструкции из железобетонных шпал................................... 102

5.2. Рекомендации по применению конструкций защитных сооружений из железобетонных шпал................................... 107

Выводы по 5 главе..................................................................... 110

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.................................................................................... 111

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................................. 114

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................................ 123

ВВЕДЕНИЕ

В решениях Коллегий МПС, в частности, приказе Министра Путей сообщения Российской Федерации № 12Ц от 16.08.94 «О переходе на новую систему ведения путевого хозяйства на основе повышения технического уровня и внедрения ресурсосберегающих технологий» [1] был поставлен вопрос о всемерной экономии средств, реорганизации структуры управления и уменьшении числа звеньев управленческого аппарата, внедрении автоматизированных систем управления, применении ресурсосберегающих технологий во всех Департаментах и Службах железных дорог и на основе этого снижении железнодорожных тарифов. Эта проблема актуальна и поныне.

Значительные средства железные дороги затрачивают на укрепление земляного полотна от размыва водными потоками. И, если при небольших скоростях течения воды до 2.0 м/с защиту земляного полотна можно обеспечить за счет применения местных дешевых материалов (дерновка, каменная наброска), то на прижимных участках железных дорог, где скорости водного потока превышают 2.0 м/с, обеспечение защиты земляного полотна потребует применения более дорогих материалов и конструкций, к числу которых относятся каменная наброска, усиленная решетчатыми железобетонными плитами или блоками, ряжевые и другие конструкции, в которых наиболее легко новые элементы можно заменить на бывшие в употреблении.

Важным резервом снижения внутренних затрат железных дорог является внедрение в практику эксплуатации ресурсосберегающих конструкций и технологий. К их числу можно отнести возможность повторного применения старогодних материалов в других сооружениях, где их изменившиеся прочностные характеристики не окажут влияния на надежность и сроки работы данных сооружений. При защите земляного полотна от размыва такими элементами могут служить старогодние железобетонные шпалы, обрезки стержней арматуры и труб, куски стального троса, щебень и гравий, железобетонный лом и т.д. Ликвидная стоимость таких материалов незначительна, однако, большая их часть до последнего времени не находит широкого применения. Между тем, известны случаи использования бывших в употреблении железобетонных шпал для устройства берегозащитных укреплений, например, на Северо-Кавказской дороге

в районе Сочинской дистанции пути и на Восточно-Сибирской дороге в районе озера Байкал. Однако, применение старогодних шпал для этих целей сдерживается отсутствием простых и технологичных конструктивных решений, а также отсутствием исследований и технологий по очистке от загрязнителей элементов, которые могут быть использованы в этих сооружениях. Кроме того, некоторая часть железобетонных шпал отбраковывается на заводах -изготовителях. Причины отбраковки чаще всего связаны с превышением отступлений от норм их изготовления или другими дефектами, не снижающими прочность шпалы. В Российской Федерации железобетонные шпалы выпускают 5 заводов суммарно в количестве около 5 млн. штук в год. По данным Спецжелезобетона, в подчинение которого входят упомянутые заводы (июнь 1997г), количество бракованных шпал составляет около 3% от выпускаемых заводами, часть которых реализуется промышленными предприятиями для укладки на подъездных путях со скидкой порядка 10% от отпускной цены, а оставшаяся часть может быть использована в конструкциях для защиты земляного полотна от размыва. По данным МПС на 10 февраля 1999г. стоимость одной шпалы, составляла 240.0 рублей. Следовательно, бракованная шпала стоит 216.0 рублей. Такие шпалы не требуют специальной очистки и могут быть использованы для изготовления берегозащитных устройств от размыва на прижимных участках железных дорог, в частности, в районе мостовых переходов, а также для укрепления откосов подтопляемых насыпей без нарушения экологического равновесия системы «железная дорога - окружающая среда».

Упомянутый выше опыт использования железобетонных шпал для берегоукрепительных сооружений недостаточен, конструкции этих сооружений могут быть весьма разнообразны. Они требуют соответствующих исследований и расчетов, обеспечивающих их эффективное применение.

Целью настоящей работы является разработка новых ресурсосберегающих конструктивных решений на базе бывших в употреблении, а также отбракованных на заводах железобетонных шпал для защиты земляного полотна от размыва на прижимных участках железных дорог.

1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, РАСЧЕТА И ЭКСПЛУАТАЦИИ

СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПО ЗАЩИТЕ ОТКОСОВ ЗЕМЛЯНОГО

ПОЛОТНА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОДНЫХ ПОТОКОВ

Регламентирующими документами, определяющими основные требования к защитным сооружениям, их размерам, расчетным нагрузкам, являются [2...8] и др.

Документами, в которых наиболее полно рассмотрены конструкции защитных сооружений земляного полотна железных дорог от воздействия водного потока, являются Альбом конструкций креплений откосов земляного полотна железных и автомобильных дорог общей сети Союза ССР, разработанный институтом Мосгипротранс в 1970г. [9] и альбом «Конструктивные решения по усилению земляного полотна на участках размывов», разработанный в 1990 г институтами МИИТ и Гипротранспуть [10]. При разработке этих документов был использован многолетний отечественный и зарубежный опыт проектирования, строительства и эксплуатации таких сооружений, а также существующие классификации берегоукрепительных, защитных и регуляционных устройств и сооружений. В частности, известны классификации Е.Ф. Болдакова, М.Ф. Срибного, А.В. Высоцкого, М.А. Мосткова, Н.Ф. Данелия, С.Т. Алтунина, А.П. Хамова, И.Я. Мелик-Бахтамян и многих других.

Приведем классификацию, разработанную И.Я. Мелик-Бахтамян [11]. Она дана по семи основным признакам:

1. Способу защиты от боковой и глубинной эрозии.

2. Основному назначению сооружений.

3. Характеру регулируемого режима реки.

4. Характеру и категории рек.

б.Типу конструкций и по признаку заполнения пространства занимаемого контуром сооружения.

6. Сроку службы.

7. Характеру производства работ.

Однако, как указывает сам автор, классификация разработана лишь для предгорных и горных участков рек.

При изучении способов защиты сооружений от размыва многие авторы предлагают классифицировать не конструкции сооружений, а методы борьбы с деформациями водотока [12], учитывая устойчивость берега (здесь и в

дальнейшем под словом «берег» будем понимать также откосы подтопляемых насыпей и ряд других сооружений: траверсов, дамб, шпор и т.п.), что по нашему мнению вполне отвечает поставленной в данной работе цели.

Например, А.П. Хамов [12], используя предложения ряда авторов методы защиты берегов водотоков предлагает разделять на следующие виды:

1. Защита берегов путем закрепления их бытового положения с повышением устойчивости против размыва и разрушения - пассивный метод. Сохранность бытового положения достигается увеличением устойчивости береговых грунтов размыву (дерновка, каменная отсыпка, бетонные и железобетонные фартуки, подпорные стенки и т.п.).

2. Защита берегов путем уменьшения скоростей у защищаемого берега. Для уменьшения скоростей вдоль берега применяются сооружения или приспособления, которые резко нарушают своими контурами внешнюю границу потока и вызывают деформацию его скоростного поля - активный метод.

Уменьшения скоростей достигают путем сооружения шпор, бун, полузапруд самых разнообразных конструкций, устройством ветвистых заграждений, свайных рядов и других.

3. Защита берегов путем искусственного переформирования гидравлической структуры потока. Достигается это системами поверхностных и донных направляющих щитов М.В. Потапова, продольными направляющими, щитовыми сооружениями, системами направляющих щитовых шпор А.Ф.Баркая и др., которые создают искусственную поперечную циркуляцию заданной величины и направления.

4. Защита берегов путем придания им обтекаемой формы. В основном такой метод осуществляется выправлением динамической оси потока, уположением крутых откосов берега и др., с целью уменьшения интенсивности поперечной циркуляционное™ течений.

5. Защиту берегов путем обвалования осуществляют при наличии затопляемых берегов, с помощью возведения валов с облицовкой или без нее.

6. При наличии меандр, блужданий или эрозии по глубине прибегают к спрямлению русла.

7. Защита берегов путем регулирования жидкого и твердого стока осуществляется устройством водохранилищ, посадкой деревьев в водосборном бассейне, переброской стока в бассейн другой реки.

Перечисленные методы защиты берегов водотоков имеют определенную область применения, но, учитывая местные условия, иногда возможно и даже желательно, с экономической точки зрения, на некоторых объектах применить несколько методов защиты берегов совместно [12].

1.1. Применяемые конструкции и обобщение опыта эксплуатации.

Вопросами защиты земляного полотна от размыва водными потоками, разработкой новых более эффективных средств защиты с использованием современных искусственных материалов и определением области их эффективного применения, совершенствованием способов расчета, проведением экспериментальных натурных и лабораторных исследований и многими другими проблемами занимались такие ведущие организации, как АО НИИ Транспортного строительства (ЦНИИС), ОАО Мосгипротранс, Ленгипротранс, Грузинский Политехнический институт, Ташгипротранс, ВНИИЖТ, МГУ им. М.В. Ломоносова, Гипротранспуть и другие, а также многие отечественные и зарубежные ученые: B.C. Алтунин, В.В.Виноградов, Г.Я. Волченков, А.Ф. Демьяненко, Г.В. Железняков, А.П. Зегжда, И.И. Леви, А.И. Лосиевский, Л.В. Лукашук, К.В. Матвеев, В.Н. Муравьев, В.В. Невский, Г.С. Переселенков, Ю.В. Писарев, В.И. Полтавцев, Ю.Л. Пейч, И.П. Спицын, В.П. Титов, A.A. Цернант, В.Ш. Цыпин, Г.М. Шахунянц, Т.Г. Яковлева, Е.А. Яковлева, Bridge Johns, Jarvis Jack, Jackson R.G., Hermann Meckel и многие другие [13-49].

Одним из самых распространенных видов укрепления откосов от размыва является каменная наброска. Для исключения вымывания мелких фракций грунта применяют наброску из камня разных фракций, отсыпая его послойно, начиная с более мелких фракций (так называемые обратные фильтры [36,37,50]). Для этих же целей иногда наброска камней производится на хворостяной тюфяк. Камни подбираются по весу в зависимости от скоростей течения воды [12,36]. При высоких скоростях водного потока большие камни диаметром 0.5-1.0 м скрепляются между собой металлическими анкерами в гирлянды. Применение каменной наброски для укрепления откосов грунтовых сооружений сдерживается отсутствием камня нужных фракций вблизи сооружения или его высокой себестоимостью.

С появлением новых синтетических нетканых материалов, типа геотекстиля, дорнита и т.п., под каменную наброску и железобетонные плиты в качестве обратного фильтра стали укладывать эти материалы [51,41]. Для дальнейшего повышения устойчивости берегозащиты камни укладывают в клетки или ящики из различных материалов (дерево, металл, железобетон, синтетические материалы).

В Советском Союзе при строительстве Волго-Балтийского водного пути широко использовались железобетонные ящики, свободно устанавливаемые на откос с предварительно подготовленным обратным фильтром. Ящики устанавливались в шахматном порядке. Отсыпка камня крупностью 200-250 мм велась до верхнего уровня стенок ящиков, имеющих плановые размеры 1.2x1.2 или 1.5x1.5 м и высоту стенок 0.4 м при толщине 0.1 м. В нижней части откоса устраивался упор в виде каменной или бетонной призмы (зуба) или шпунтовой стенки. Многолетний опыт эксплуатации такой конструкции показал ее высокую надежность. Некоторое исключение представляли местные участки подмыва стенки и оползание откосов [12]. Недостатком такого крепления является неиндустриальность его изготовления и нетехнологичность монтажа.

С начала 70-х в практике борьбы с водной эрозией помимо каменной наброски применяются конструкции из синтетических материалов. Одним из видов конструкций такого назначения являются структурные маты ЕЫКАМАТ [52]. Эта конструкция представляет собой богатый пустотами полиамидный структурный мат, который раскатывается на выровненную поверхность и закрепляется на грунте нагелями. После чего засыпается тонким слоем почвы и засеивается. Маты служат долгосрочным армированием корневой зоны. ЕЫКАМАТ выпускается четырех стандартных типов (в зависимости от области применения) толщиной приблизительно 10 и 20 мм, шириной от 1.0 до 5.75 м. Высокая водопроницаемость, малый вес (20 кг/кв.м.), нетоксичность и достаточно надежная защита при скоростях течения воды до 2.5 м/с стали причиной широкого применения данного материала для укрепления берегов и откосов насыпей.

Другим способом защиты склонов от эрозии является закрепление верхних 10 см грунта при помощи материала А(ЗМАТЕР [53] - гибких матов из нетканых полос полиэстера, не препятствующих фильтрации воды. Полиэстеровые полоски высотой 10 см образуют шестиугольник, что позволяет заполнять их песком, гравием, щебнем или бетоном. Легкие маты легко и быстро укл