Использование метода напорной инъекции при усилении земляного полотна железных дорог
На правах рукописи
ЛАНИС АЛЕКСЕЙ ЛЕОНИДОВИЧ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА НАПОРНОЙ ИНЪЕКЦИИ
ПРИ УСИЛЕНИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Специальность 05.22.06
«Железнодорожный путь, изыскание
и проектирование железных дорог»
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва, 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ)
| Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Евгений Самуилович Ашпиз |
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Таисия Васильевна Шепитько
кандидат технических наук,
Григорий Геннадьевич Орлов
Ведущая организация:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»
Защита состоится «04» июня 2009 г. в 15 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д218.005.11 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 1235.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета путей сообщения. Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу совета университета.
Автореферат разослан « » апреля 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
д-р. техн. наук, профессор Ю.А. Быков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В соответствии с принятой в 2008 году «Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» основной задачей в развитии железнодорожной инфраструктуры является повышение надежности и безопасности её технических средств, и в первую очередь железнодорожного пути. Одновременно с этим планируется более интенсивное воздействие на путь за счет увеличения среднего веса и длины грузового поезда, роста скоростей грузовых и пассажирских поездов.
Земляное полотно является одним из основных элементов железнодорожного пути – его фундаментом, поэтому решение поставленных задач во многом зависит от его эксплуатационного состояния. Одной из главных причин, вызывающих необходимость усиления земляного полотна при росте интенсивности воздействия, является недостаточность его несущей способности, которая в первую очередь вызвана дефектами и деформациями основной площадки и устойчивостью откосных частей насыпей.
В настоящее время для повышения несущей способности и устойчивости земляного полотна широко используются различные способы. Однако многие из них являются дорогостоящими и в силу разных причин с учетом местных условий объектов и, особенно, из-за технологических сложностей не всегда применимы, что сдерживает темпы усиления земляного полотна. Поэтому существует необходимость в разработке новых способов усиления земляного полотна, среди которых могут найти использование известные и апробированные в фундаментостроении методы, позволяющие эффективно укреплять грунты. Данные методы укрепления грунтов должны быть адаптированы к усилению эксплуатируемого земляного полотна с учетом его особенностей. Среди таких методов следует выделить способ инъектирования в массив грунта под высоким давлением вяжущих растворов специально подобранного состава (метод напорной инъекции).
Актуальность диссертационной работы определяется необходимостью разработки способа упрочнения грунтов при усилении основной площадки и откосов насыпей железных дорог, основанного на использовании метода напорной инъекции, нашедшего распространение в гражданском строительстве.
Цель работы состоит в разработке способа усиления земляного полотна железных дорог для обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Выявлены особенности распространения инъектируемого раствора в грунтах земляного полотна, и найдены оптимальные технологические параметры инъектирования.
- Экспериментально исследовано изменение свойств грунтового массива при напорной инъекции твердеющего раствора.
3. По результатам теоретических исследований получены решения:
- по определению коэффициента пористости и модуля деформации армированного раствором грунта с учетом включений из затвердевшего раствора;
- по оценке объема инъектируемого раствора и давления инъектирования, при которых происходит выдавливание раствора из зоны упрочнения.
4. Разработан способ усиления земляного полотна железных дорог для обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции, включающий предложения по контролированию изменения характеристик грунтов при усилении методом напорной инъекции.
Методика исследования. Для решения поставленных задач выполнены теоретические и экспериментальные исследования, основанные на теории механики грунтов. Полевые эксперименты выполнялись на реальных объектах Западно-Сибирской железной дороги. Для расчета напряженно-деформированного состояния земляного полотна использовался метод конечных элементов, реализованный в программно-вычислительном комплексе «Plaxis». При разработке способа усиления земляного полотна использованы результаты исследований отечественных и зарубежных ученых в области механики грунтов и земляного полотна железных дорог.
Научная новизна работы:
- Выделены типичные конфигурации затвердевшего раствора (пластины, столбы, массив), образующиеся в результате напорной инъекции в глинистые грунты земляного полотна, и выявлены закономерности их образования в зависимости от технологии инъектирования.
- Предложен принцип предварительного ослабления структуры грунта и для его осуществления разработана конструкция инъектора.
- Выявлено, что при упрочнении грунтов земляного полотна напорной инъекцией значение модуля деформации увеличивается в 2 – 10 раз, а значения удельного сцепления соответственно в 3 – 4 раза.
- Получены теоретические решения по определению критической величины давления инъектирования, при которой происходит выдавливание раствора из зоны упрочнения.
- Разработан способ усиления основной площадки земляного полотна и откосов насыпей методом напорной инъекции, позволяющий учесть свойства твердеющего раствора и особенности эксплуатируемого земляного полотна железных дорог.
Достоверность и обоснованность результатов исследований, выводов диссертационной работы обеспечивается большим объемом экспериментальных исследований, имеющих детально проработанную методику, основанную на применении современных средств обработки опытных данных; результатами внедрения предложенных решений на объектах железнодорожного транспорта.
Практическое значение и внедрение результатов работы. Практическая значимость диссертационной работы состоит в возможности использования при усилении основной площадки земляного полотна и откосов насыпей железных дорог метода напорной инъекции и методики контролирования качества работ.
Способ усиления земляного полотна для обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции внедрен на объектах Западно-Сибирской железной дороги.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока – Транссибу» (Россия, Новосибирск, 2002 г.); на Международном геотехническом симпозиуме (Россия, Санкт-Петербург, 2003г.); на научно-технической конференции «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов» (Россия, Москва, 2003 г.); на Международной конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству (Россия, Пермь, 2004 г.); на Международной геотехнической конференции, посвященной году РФ в РК (Казахстан, Алматы, 2004 г.); на Пятой Всеукраинской научно-технической конференции по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению (Украина, Одесса, 2004 г.); на Международном геотехническом симпозиуме «Природные и техногенные чрезвычайные геотехнические ситуации» (Россия, Иркутск, 2005 г.); на Международном геотехническом симпозиуме «Geotechnical Aspects of Natural and Man-Made Disasters» (Казахстан, Астана, 2005 г.); на Международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); на Пятой научно-технической конференции с международным участием, МИИТ (г. Москва, 2008 г.).
Публикации и изобретения. Основное содержание диссертационной работы представлено в двенадцати работах. В том числе по результатам исследований получены три патента РФ: на способ ремонта железнодорожного земляного полотна, на конструкцию инъектора и на метод определения характеристик грунтов земляного полотна, усиленного напорной инъекцией.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, содержащего 103 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Объем диссертационного исследования – 152 страницы, работа включает 53 рисунка, 18 таблиц и приложение.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы и приведена общая характеристика работы.
В первой главе выполнен обзор исследований по деформациям основной площадки земляного полотна и откосов насыпей, методов усиления земляного полотна, выполнен анализ метода напорной инъекции и дано обоснование выбранного направления работы.
Наблюдаемые дефекты и деформации земляного полотна отличаются большим разнообразием и зависят от многих факторов. Исследованиями и классификацией дефектов и деформаций земляного полотна железных дорог занимались отечественные ученые: Г.М. Шахунянц, В.П. Титов, Г.М. Моченов, В.И. Грицык, Т.Г. Яковлева, Е.С. Ашпиз, Г.Г. Коншин, В.В. Виноградов, И.В. Прокудин, Г.М. Стоянович и др.
По данным статистики на основную площадку приходится более 40% всех деформаций земляного полотна. Основными из них являются балластные углубления, связанные с недостаточной прочностью грунтов верхней части земляного полотна, в которой происходит наибольшее восприятие нагрузки от подвижного состава. Кроме того, наличие балластных углублений на высоких насыпях является частой причиной сплывов их откоса.
Анализ ранее выполненных работ показывает, что гарантированное восстановление эксплуатационной надежности деформируемых насыпей возможно путем замены верхних обводненных и разуплотненных слоев грунта, что реализуемо при полной остановке движения на длительный период. Выход из сложившейся ситуации видится в активном внедрении современных методов упрочнения и армирования грунтов. Некоторые из этих методов, в частности устройство буроинъекционных свай, стягивающих элементов, анкерных конструкций, использование разрядно-импульсной технологии нашли отражение в указаниях МПС еще в 90-е годы прошлого века.
Рассмотренные методы трудноприменимы для усиления основной площадки земляного полотна, требуют высокотехнологичного оборудования, усложняют, а в отдельных случаях делают невозможным проведение ремонтных работ без предоставления технологических окон. Указанных недостатков лишены инъекционные методы.
Впервые инъектирование цементных растворов в грунты земляного полотна было применено в США в 1938 г. Попытки использования цементации для усиления земляного полотна предприняты в Англии, Румынии, Чехословакии, ФРГ и других странах.
В нашей стране исследования по использованию цементации для усиления балластных углублений выполнялись под руководством Д.В. Волоцкого (КИСИ, ВЗИИТ) и Л.А. Смоляницким (ДИИТ). Отмечено, что цементация является одним из прогрессивных методов усиления земляного полотна, а основное ее достоинство состоит в возможности выполнения работ без закрытия перегона и ограничения скорости движения. До настоящего времени инъекция цементных растворов на железной дороге использовалась только в режиме пропитки, то есть строго ограничивалась дренирующими грунтами. Напорная инъекция предполагает величину давления выше величины разрыва структуры грунта, поэтому из-за возможного неконтролируемого распространения раствора и отсутствия методов диагностики и контроля выполняемых работ для упрочнения грунтов земляного полотна она ранее не использовалась.
Используемые в гражданском строительстве технологии и оборудование, позволяющие инъектировать твердеющие растворы с разрывом структуры грунта, из-за особенностей грунтов и геометрии не всегда применимы в случае усиления земляного полотна железных дорог. Для разработки способа усиления земляного полотна напорной инъекцией необходимо решение следующих вопросов:
- Обоснование технологических параметров (оптимальная схема расстановки инъекторов, давления инъектирования, конструкции инъекторов), позволяющих контролировать распространение раствора.
- Определение объема инъектируемого раствора и давления инъектирования, превышение которых может привести к выходу раствора из зоны усиления.
- Прогноз изменения свойств грунтового массива после усиления, в зависимости от объема и состава раствора с определением расчетных параметров упрочненного грунта.
- Разработка методов диагностики и контроля качества усиления.
На основании проведенного анализа литературы сформулированы цель и задачи исследований.
Во второй главе представлены результаты полевых и лабораторных экспериментальных исследований. Состав экспериментальных исследований определялся необходимостью решения сформулированных задач и представлен на рисунке 1.
Рис. 1 – Состав экспериментальных исследований
Исследования конфигурации затвердевшего раствора и его зависимость от технологических параметров метода напорной инъекции, исходя из состава грунтов верхней зоны земляного полотна, выполнялись на двух типах грунтов:
1) насыпных неоднородных грунтах, представленных смесью глинистого грунта и загрязненного балласта;
2) глинистых грунтах (супесь и суглинок) различной консистенции.
Исследования на насыпных грунтах выполнялись при усилении железнодорожной насыпи на 15-м км перегона Дедюево – Буреничево и земляного полотна над трубой на 88-м км линии Алтайская – Бийск Западно-Сибирской железной дороги. При производстве работ на этих объектах велся журнал, в котором отмечались технологические параметры: давление разрыва структуры грунтов, величины давления нагнетания и окончания.
В случае дренирующих грунтов процесс инъектирования сводится к классической пропитке. Для недренирующих грунтов требуется давление инъектирования 0,4–0,5 МПа, при этом особенности распространения нагнетаемого раствора, образуемые конфигурации после затвердевания, близки к данным, получаемым при упрочнении глинистых грунтов.
Исследования в глинистых грунтах позволили выделить 3 типичные конфигурации затвердевшего раствора (пластины - 41% случаев, столбы - 39%, массивы - 20%). Отмечено, что пластины затвердевшего раствора толщиной менее 1,5 см не оказывают уплотняющего влияния на окружающий грунт. Наиболее эффективной является конфигурация затвердевшего раствора в виде массива диаметром около 40 см. В этом случае происходит уплотнение, и соответственно улучшение физико-механических характеристик на расстоянии 60–100 см от затвердевшего раствора (рис. 2).
Рис. 2 – Зависимость плотности сухого грунта (d) и модуля деформации (Е) от расстояния до границ фрагментов затвердевшего раствора (d): 1 – в зоне влияния пластины; 2 – в зоне влияния столба; 3 – в массиве затвердевшего раствора.
Исходя из выполненных исследований, определена оптимальная схема расстановки инъекторов. Рекомендуемое расстояние между инъекторами составляет от одного до двух метров. В случае необходимости расстояние между инъекторами может быть увеличено путем их наклонного расположения с целью уменьшения расстояния между включениями затвердевшего раствора. Это расстояние определяется расчетом в зависимости от требуемых характеристик грунтов после усиления.
Следующим технологическим параметром, исследованным в работе, являлась оптимальная конструкция инъектора. На площадке с одинаковыми инженерно-геологическими условиями последовательно выполнено три серии опытов. В первой серии применялись типовые щелевидный инъектор и инъектор с теряемым наконечником. При использовании щелевидного инъектора требовалось первоначальное давление не менее 1,2–1,6 МПа, при использовании инъектора с теряемым наконечником соответственно 0,4–0,5 МПа. Выявлено, что применение щелевидных инъекторов для напорного инъектирования не эффективно из-за сложности применения и высоких давлений, превышающих предельное значение (0,5 МПа). В случае использования инъекторов с теряемым наконечником была высока вероятность неконтролируемого распространения, так как требуемое давление инъектирования близко к предельному значению.
С учетом выявленных недостатков разработан принцип инъектирования, основанный на предварительном направленном разрушении структуры грунта. Принцип реализован при разработке конструкции инъекторов с резцами, предназначенными для направленного ослабления структуры грунта, которые были использованы во второй серии опытов. Среднее значение первоначального давления составило 0,1 МПа. Выявлено, что при соблюдении технологических параметров высока вероятность образования включений раствора заданной формы.
В третьей серии опытов разработана технология, позволяющая образовывать в грунтах оптимальные конфигурации затвердевшего раствора заданной формы в виде массивов диаметром до 50 см. Согласно данной технологии на первом этапе давление инъектирования увеличивается до начала разрыва структуры, после чего в целях препятствия образования трещин большой длины оно снижается до величины 0,7 от давления разрыва структуры.
Для решения вопроса об эффективном методе контроля качества укрепляемого массива грунта было предложено использовать динамическое зондирование. Как показали исследования, анализируя данные зондирования, можно четко проследить распространение затвердевшего раствора и зону уплотнения окружающих грунтов. В таблице 1 приведены величины показателя динамического зондирования N и условного сопротивления Рд после упрочнения.
Таблица 1 – Показатели динамического зондирования N и условного сопротивления Рд после упрочнения
| Характеристика грунта | № ИГЭ | N, ударов | Рд, МПа |
| 1. Грунт вне зоны влияния | ИГЭ-2р | 1–2 | 0,60–0,92 |
| 2. Грунт в зоне влияния | ИГЭ-2с | 2–4 | 1,38–1,93 |
| 3. Уплотненный грунт | - | 4–7 | 2,08–3,87 |
| 4. Затвердевший раствор | - | 8–15 | 3,80–7,20 |
Для возможности оценки расчетных характеристик упрочненного массива грунта исследовано влияние включений затвердевшего раствора на изменение этих характеристик, которое выполнялось с проведением штамповых испытаний грунтов естественного залегания и грунтов в зоне упрочнения.
Для штамповых испытаний была разработана конструкция, позволяющая передавать нагрузку от домкрата через балки на загруженную платформу, расположенную в месте проведения эксперимента. Площадь штампа составляла 5000 см2, диаметр – 79,8 см. Наибольший интерес представляет серия штамповых испытаний по методике, применительно к земляному полотну железных дорог. Выполненные эксперименты позволили получить значения модуля деформации и модуля упругости для грунтов естественного залегания и после их упрочнения. Как показали исследования, в результате упрочнения грунтов интегральные значения модуля деформации увеличились на порядок, а значения модуля упругости в два раза (таблица 2). В результате упрочнения величина остаточных деформаций уменьшилась в среднем в пять раз.
Таблица 2 – Результаты определения модулей деформации и упругости
| № опыта | Модуль деформации, Е, МПа | Модуль упругости, Еу, МПа | ||
| до упрочнения | после упрочнения | до упрочнения | после упрочнения | |
| 1 | 3,5 | 23 | 29 | 62 |
| 2 | 2,1 | 16 | 32 | 68 |
| 3 | 2,8 | 33 | 38 | 76 |
| 4 | 2,6 | 28 | 35 | 72 |
| Среднее | 2,8 | 25 | 33 | 69 |
В расчетах несущей способности и устойчивости важным является использование интегральных значений прочностных характеристик после усиления. С этой целью проведены испытания методом среза целиков, в которых нормальное давление на грунт создавалось гидравлическим домкратом путем упора его в железнодорожную платформу. Касательная нагрузка в плоскости среза создавалась путем упора домкрата в стенку шурфа через плиту. Срез в каждой точке выполнялся при трех нормальных напряжениях.
Как показали испытания (рис. 3) значения удельного сцепления грунта земляного полотна после упрочнения повышаются до 3 раз, изменение значений угла внутреннего трения несущественно. На изменение сцепления грунта оказывает влияние армирование включениями затвердевшего раствора и уплотнение окружающего грунта.
Рис. 3 – Результаты испытания грунта методом целиков
Как показали лабораторные исследования, модуль деформации и удельное сцепление упрочненного грунта зависят от характеристик затвердевшего раствора, которые определяются его составом. В лабораторном эксперименте были рассмотрены 13 составов инъектируемых растворов с различным соотношением глины и цемента. При этом водовяжущее отношение в смеси подбиралось, исходя из заданной удобоукладываемости инъектируемого раствора, и с увеличением содержания цемента оно уменьшалось.
В результате обобщения результатов эксперимента получена зависимость расчетных модуля деформации и удельного сцепления раствора от соотношения глины/цемента (рис. 4). ).
Рис. 4 – Зависимость расчетных характеристик затвердевшего раствора от соотношения глина/цемент
Для возможности подбора состава инъектируемых растворов разработана методика, позволяющая учитывать свойства затвердевшего раствора при проектировании характеристик упрочненного грунта земляного полотна, которая заключается в следующем. Расчетом принимаются необходимые значения характеристик затвердевшего раствора: модуль деформации и удельное сцепление и по ним, используя полученную зависимость, находится необходимый состав раствора и сроки схватывания.
В третьей главе представлены результаты теоретических исследований.
В результате инъектирования раствора с суммарным объемом Vs и его затвердевания в грунте с модулем деформации и коэффициентом пористости соответственно Ed, ed, последний упрочняется как благодаря изменению своей структуры с более компактной упаковкой, так и благодаря добавлению включений из затвердевшего раствора (рис. 5).
Принято допущение, что форма включений из затвердевшего раствора не влияет на параметры Ec, ec, а влияет доля kp раствора в области Vd, равная kp=Vp/Vd. Тогда коэффициент пористости определится по формуле:
, (1)
где 
– доля затвердевшего раствора в объеме Vd.
Величину Ec можно определить по экспоненциальной зависимости:
, (2)
где 
– коэффициент, характеризующий деформируемость конкретного грунта.
Коэффициент пористости и модуль деформации армированного грунта определяются следующими уравнениями:
; 
(3)
где 
.
Таким образом, получены формулы (1) – (3) для расчета искомых величин ec, Ec, ea, Ea, определяемые через заданные параметры ed, Ed, Es, ka, ad. Из формулы (3) можно найти долю раствора kp, необходимого для упрочнения заданного типа грунта с параметрами ed, Ed до требуемого модуля деформации Еа.
При определении напряжений в окрестности инъектированного в грунт раствора рассмотрен случай образования шарообразной формы раствора радиуса r0, инъектированного в грунт на глубине h, r0 << h (рис. 6). При принятом в постановке задачи условии 
, сцеплением грунта можно пренебречь.
Напряженное состояние в области V описывается системой уравнений (4) и граничными условиями (5):
(4)
где 
.
(5)
Объем раствора при заданном давлении инъектирования определяется уравнением
(6)
В результате действия давления от нагнетаемого раствора при определенных условиях в грунте могут развиваться полосы скольжения. Для расчета линии скольжения был разработан численный алгоритм и реализован на языке программирования Delphi. На рис.7. показана кривая линия скольжения А2В2 в плоскости y = 0, нарезающаяся в грунте в области влияния давления 0. Расчеты проведены при следующих параметрах: 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
.
Определена формула давления, при котором грунт будет выдавливаться на поверхность
(7)
В формулах (6) и (7) величина r0 соответствует радиусу инъектированного в грунт раствора.
В четвертой главе на основании исследований разработан способ усиления земляного полотна методом напорной инъекции. В работе представлен алгоритм реализации способа усиления в зависимости от необходимости осушения земляного полотна (рис. 8).
Рис. 8 – Алгоритм усиления земляного полотна методом напорной инъекции
Для усиления земляного полотна при необходимости осушения балластных углублений предложен следующий способ, защищенный патентом РФ № 2277616. Принудительное удаление воды из балластных углублений за пределы земляного полотна осуществляется через дренажные скважины, расположенные в нижней части углубления, путем направленного нагнетания инъекторами твердеющего раствора. По мере вытеснения воды из углубления ее место занимает инъектируемый материал. При использовании твердеющих растворов со временем происходит их схватывание (затвердевание), при этом одновременно происходит сцепление инъектируемого раствора с грунтом земляного полотна. На рисунке 9 рассмотрен вариант с использованием одной дренажной скважины. Аналогичная схема разработана при двухстороннем удалении влаги. В случае отсутствия необходимости в осушении грунтов земляного полотна нагнетание раствора осуществляется после расстановки инъекторов и все работы выполняются в последовательности в соответствии с предложенным алгоритмом.
Рис. 9 – Способ усиления земляного полотна с использованием одной дренажной скважины (1 – земляное полотно; 2 – дренажная скважина; 3 – инъектор).
На основании анализа литературы и исследований, выполненных на реальных объектах, предложена методика контроля качества упрочнения. Наиболее часто для оценки упрочнения грунтов методом напорной инъекции используется зондирование и шурфование. В работе разработан способ контроля качества, основанный на динамическом зондировании. Обработку результатов испытаний предложено осуществлять по экспериментально полученной зависимости
А = А0·exp((Рд – Рд0)), (8)
где А и А0 – значения определяемых характеристик (коэффициента пористости, модуля деформации) соответственно в зоне упрочнения и вне ее;
Рд и Рд0 – значения показателя динамического зондирования соответственно в зоне упрочнения и вне ее.
При этом значения А0 и Рд0 принимаются равными значениям, полученным в лабораторных условиях при определении коэффициента.
Оценка методики контроля качества выполнена при внедрении способа усиления земляного полотна на 88-ом км линии Алтайская – Бийск. По результатам исследований построены графики для определения коэффициента пористости и модуля деформации, представленные на рис. 10.
Для диагностики и последующего контроля качества упрочнения грунтов земляного полотна также рекомендованы геофизические методы, среди которых следует выделить сейсмический и электрометрический методы, обладающие относительной дешевизной, мобильностью, возможностью проведения работ без нарушения сплошности упрочненного массива грунта. В работе приведены примеры использования этих методов для диагностики земляного полотна.
Рис. 10 – Экспоненциальные кривые, построенные по результатам зондирования и лабораторных определений характеристик грунтов
Опытная проверка предложенного способа усиления земляного полотна выполнялась на железнодорожных насыпях 15-го км перегона Дедюево – Буреничево и 88-го км линии Алтайская – Бийск Западно-Сибирской железной дороги.
На первом объекте деформации протекали в виде оползания балластных шлейфов, а в междупутье проявлялись провалы грунта. В насыпи геофизическими методами были обнаружены многочисленные переувлажненные области, глубина балластных мешков достигала 5 м.
Для стабилизации проведены следующие мероприятия. Осушение верхней зоны земляного полотна выполнено путем погружения под основную площадку перфорированных трубчатых дренажей. Основная площадка насыпи и загрязненные балластные шлейфы упрочнялись путем нагнетания в ослабленные зоны раствора специально подобранного состава под давлением, превышающим структурную прочность грунта. Размещение инъекторов и дренажных труб в сечении насыпи приведено на рис. 11.
Расчет напряженно-деформированного состояния насыпи до и после её усиления методом напорной инъекции выполнен в программно-вычислительном комплексе «Plaxis». Задача решена в условиях плоской деформации, применена упругопластическая модель Кулона – Мора. В программе расчета реализована пошаговая схема нагружения грунтового массива собственным весом и внешней нагрузкой. Получены значения коэффициента устойчивости до усиления Куст = 0,929, после усиления Куст = 1,215. При этом был использован метод послойной разбивки модели земляного полотна с возможностью варьирования объемами инъектирования, что позволило подобрать оптимальную и экономически обоснованную схему усиления.
Рис. 11 – Схема усиления насыпи на 15-м км перегона Дедюево – Буреничево
На втором объекте электромагнитное сканирование выявило яркую аномалию строения насыпи. На поперечном створе, расположенном в 7 м от оси трубы по ходу километров прослеживалось распространение зоны разуплотнения на левый откос насыпи, где и фиксировались провалы. В соответствии с разработанными рекомендациями был реализован проект стабилизации объекта методом напорной инъекции. Схема размещения инъекторов приведена на рис. 12.
Рис. 12 – Схема размещения инъекторов на 88-м км линии Алтайская – Бийск
Результаты наблюдений за усиленными объектами показали, что деформации прекратились, и существовавшие ограничения скоростей движения поездов были отменены.
Оценка экономической эффективности способа усиления земляного полотна упрочнением грунтов методом напорной инъекции выполнена на примере усиления насыпи на 15-ом км перегона Дедюево – Буреничево. Согласно проведенному расчету срок окупаемости затрат при усилении разработанным способом составил 3,5 года, а при применении способа усиления сваями разрядно-импульсной технологии 5 лет.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы.
- Анализ опыта инъектирования твердеющего раствора в насыпные грунты показывает высокое качество их упрочнения. В случае дренирующих грунтов процесс инъектирования сводится к классической пропитке. Исследования в недренирующих грунтах позволили выделить типичные конфигурации затвердевшего раствора, установлены закономерности их образования в зависимости от технологии инъектирования. Наиболее эффективной является конфигурация в виде массива в диаметре около 40 см.
- При упрочнении грунтов земляного полотна напорной инъекцией снижается их сжимаемость: интегральные значения модуля деформации увеличиваются в 2–10 раз, значения модуля упругости в 1,8–2 раза. Величина остаточных деформаций уменьшилась в 3–5 раз.
- В результате напорной инъекции интегральные значения удельного сцепления грунта земляного полотна повышаются до 3 раз, изменение значений угла внутреннего трения несущественно. На изменение сцепления грунта оказывает влияние армирование включениями затвердевшего раствора и уплотнение окружающего грунта.
- В соответствии с зонами влияния определено оптимальное расстояние между инъекторами от 1 до 2 метров. В случае необходимости расстояние между инъекторами может быть увеличено путем их наклонного расположения.
- Разработана методика подбора состава инъектирования растворов, позволяющая учитывать свойства затвердевшего раствора при проектировании характеристик упрочненного грунта земляного полотна.
- В результате теоретических исследований:
- получены решения по определению коэффициента пористости и модуля деформации армированного инъектированным раствором грунта с учетом и без учета включений из затвердевшего раствора;
- определена зона влияния инъектирования на окружающие грунты в виде эллипсоида влияния и оценено напряженное состояние в области нагнетания;
- получено решение по определению объема раствора при заданном давлении инъектирования;
- получено решение по определению давления инъектирования, при котором происходит выдавливание раствора из зоны упрочнения.
7. Выполненные исследования позволили разработать способ усиления земляного полотна при деформациях основной площадки и нарушении устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции. При необходимости осушения основной площадки земляного полотна разработанный способ дополняется установкой дренажных труб.
8. Для контролирования качества упрочнения предложена методика, основанная на использовании динамического зондирования. Экспериментально установлена зависимость, позволяющая определять значения коэффициента пористости и модуля деформации грунтов после упрочнения.
9. При разработке проектов усиления расчеты напряженно-деформированного состояния земляного полотна рекомендуется выполнять методом конечных элементов. Использование послойной разбивки модели земляного полотна и возможности варьирования объемами инъектирования позволяет оптимизировать схему усиления.
10. Предложенный способ упрочнения грунтов методом напорной инъекции и методики контроля, внедрены при усилении насыпей на 15-ом км перегона Дедюево – Буреничево и на 88-ом км линии Алтайская – Бийск Западно-Сибирской железной дороги.
11. Выполнена оценка экономической эффективности способа усиления земляного полотна упрочнением грунтов методом напорной инъекции и альтернативным методом – разрядно-импульсной технологией. Рассмотренные противодеформационные мероприятия эффективны и срок окупаемости затрат при усилении разработанным способом составил 3,5 года, а при применении способа усиления сваями разрядно-импульсной технологии 5 лет.
Положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах:
1. Ланис А.Л. Применение метода напорной инъекции для усиления насыпей // Путь и путевое хозяйство, 2009. № 2. - С. 33–35.
2. Ланис А.Л., Смолин Ю.П. Определение прочностных характеристик грунтов земляного полотна, упрочненного методом напорной инъекции. // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути. Труды пятой научно-технической конференции с международным участием. М.: МИИТ, 2008. С. 140–143.
3. Патент № 41743. Инъектор для упрочнения и закрепления грунтов/ СГУПС; Авт. М.Я. Крицкий, А.Л. Ланис, В.Ф. Скоркин, В.Б. Воронцов – Заявл. 06.05.2004; Опубл. 10.11.2004 в бюл. № 31.
4. Патент № 2277616. Способ ремонта железнодорожного земляного полотна/ СГУПС; Авт. М.Я. Крицкий, В.Ф. Скоркин, А.Л. Ланис. – Заявл. 19.08.2004; Опубл. 10.06.2006 в бюл. № 16.
5. Патент № 2288995. Способ контроля качества. / НПК «Совстройтех»; Авт. А.Л. Ланис, М.Я. Крицкий, В.Ф. Скоркин – Заявл. 11.01.2005.
6. Ланис А.Л. Упрочнение грунтов основания методом высоконапорной инъекции. // Актуальные проблемы проектирования и устройства оснований и фундаментов зданий и сооружений. Материалы Междунар. науч.-практ. конф. (16–17 сентября 2004 г.). / Пенза, 2004. С.150–153.
7. Ланис А.Л., Пусков В.И., Крицкий М.Я., Скоркин В.Ф. Упрочнение грунтов методом напорных инъекций. // Будiвельнi конструкцii. Мiжвiдомчий науково-технiчний збiрник. Випуск 61. Том 2. Киiв: НДIБК, 2004. С. 51–58.
8. Ланис А.Л., Крицкий М.Я., Пусков В.И. Опыт упрочнения высоконапорной инъекцией твердеющего раствора //Вестник СГУПСа. 2005. № 12. С. 95–102.
9. Ланис А.Л., Крицкий М.Я. Геотехническое обоснование упрочнения грунтовых оснований методом высоконапорной инъекции. // Город и геологические опасности. Материалы Междунар. конф. (17–21 апреля 2006 г.). Часть II. СПб., 2006. С. 78–86.
10. Крицкий М.Я., Пусков В.И., Скоркин В.Ф., Ланис А.Л. Лечение болезней земляного полотна с использованием современных технологий// Труды Междунар. науч.-практ. конф. по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству. Т. II. Пермь: Изд-во ПГТУ, 2004. С. 47–53.
11. Крицкий М.Я., Астахов Н.В., Ланис А.Л. Диагностика состояния высоких насыпей над водопропускными трубами и опыт стабилизации их деформаций // Труды Междунар. геотехнической конференции, посвященной году РФ в РК. Алматы, 2004. С. 294–297.
12. Крицкий М.Я., Ланис А.Л., Сухорукова А.Ф., Колышкин С.В. Причины деформаций зданий и сооружений в Новосибирске // Вестник ИрГТУ. 2005. № 1. С. 20–24.
ЛАНИС АЛЕКСЕЙ ЛЕОНИДОВИЧ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА НАПОРНОЙ ИНЪЕКЦИИ
ПРИ УСИЛЕНИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
Специальность 05.22.06 – Железнодорожный путь,
изыскание и проектирование железных дорог
_________________________________________________________
Подписано к печати Формат 60х80 1/16
Объем 1,5п.л. Заказ Тираж 80 экз.
__________________________________________________________
Типография МИИТ 127994, ГСП-4, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9
