КОМПЛЕКСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ УПРОЧНЕНИЯ СЛАБОГО ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

УДК 625.1.002

С. Я. Луцкий, А. Я. Ландсман, В. А. Заболотный, А. А. Лычковский

Комплексная технология и гидрогеологический мониторинг упрочнения слабого основания земляного полотна

Поступила 29.05.2019

Рецензирование 23.09.2019 Принята к печати 26.09.2019

Необходимость повышения эксплуатационной надежности геотехнических сооружений связана с развитием сети путей сообщения в регионах со сложными инженерно-геологическими условиями и увеличением динамического воздействия транспортных средств. В статье изложены особенности реализации нормативных требований безопасности земляного полотна в строительный период. Рассмотрены интенсивные технологические режимы повышения несущей способности слабых грунтов большой мощности в основании земляного полотна. Предложены методические основы интенсивной технологии упрочнения слабых оснований земляного полотна. Обобщен опыт, определена эффективность применения технологического регламента. Технология обеспечения устойчивости геотехнических сооружений на слабых грунтах запатентована авторами. Методика предназначена для строительства железных и автомобильных дорог в заболоченной и переувлажненной местности. Показана необходимость регулирования технологических нагрузок и мониторинга порового давления. Обоснованы пути улучшения прочностных характеристик основания насыпей. Концепция комплексной технологии заключается в организации диагностики, упрочнении и консолидации слабых грунтов большой мощности. Управление технологическими процессами основано на формировании и мониторинге в режиме реального времени состояния технологически безопасной системы нагрузок и воздействий на слабое основание. Обоснован принцип применения максимально допустимых динамических нагрузок. Технологическое регулирование связано с изменением физико-механических характеристик грунтов в ходе строительства.

Ключевые слова: технологическое регулирование, слабые грунты, земляное полотно, комплексная технология.

Возведение земляного полотна на слабых грунтах и болотах связано с неравномерными и опасными деформациями в периоды строительства и эксплуатации. В соответствии с Техническим регламентом [1] надежность земляного полотна должна быть обеспечена на всех стадиях жизненного цикла, а на строительстве - уже в подготовительный период. Задача выполнения повышенных требований устойчивости насыпей и стабильности основания проявилась при устройстве подходов к мостовому переходу в пойме р. Кама в Пермской области [2] и на участках строительства скоростной автодороги Москва - Санкт-Петербург, которые отличались значительной мощностью торфов и сложным рельефом минерального дна.

Технологические особенности и мониторинг физико-механических характеристик грунтов во времени и по глубине слабого основания большой мощности недостаточно отражены в нормах проектирования [3]. На болотах большой мощности предусматривается комбинированный метод производства карьерных (возможна гидромеханизация) и буровзрывных работ для замены слабых грунтов

песчаным массивом и посадки его на минеральное дно. Отметим потенциальные конструктивно-технологические риски применения такой технологии:

1) структура песчаного массива или сформированной дрены зависит от бокового сопротивления уплотняемого слабого грунта и единичной массы заряда. В связи с неопределенностью процесса посадки песка возможно образование локальной несплошности и прослоек органических грунтов в материале дрен;

2) следует учесть опасную возможность образования пограничного слоя - остатков слабого грунта под песчаным массивом и между дренами в основании, а также порового давления [4]. Такие отклонения связаны с технологическим риском.

Двухэтапная технология (удаление/отжа-тие торфа и замена песчаным грунтом) не гарантирует стабильности основания в связи с неоднородностью структуры слоев, которая может привести к остаточным деформациям:

1) в пограничном слое между минеральным дном и засыпкой;

2) в массиве рыхлого песка в ходе уплотнения;

3) во всем уплотненном основании в связи с изменениями характеристик грунтов в ходе работ и динамического воздействия, особенно при нерегулируемых процессах.

На слабых грунтах большой мощности применяют грунтовые сваи, в том числе в геотекстильной оболочке [5, 6]. Это решение обеспечивает повышение несущей способности и снижение осадки основания за счет бокового обжатия слабого грунта в межсвайном пространстве, восприятия сваями части нормальных напряжений от эксплуатационной нагрузки с передачей ее на минеральное дно и ускорения консолидации основания. Но в текучих грунтах межсвайного пространства осадки продолжаются.

При глубинном уплотнении песчаных массивов после замены слабых грунтов в практике дорожного строительства наряду со сваями и гибким ростверком применяются системы ударно-импульсного уплотнения, в том числе машины Тегга-М для уплотнения на глубину до 7-9 м. Эффективность ударно-импульсного воздействия обоснована в работе [7], но именно такие машины, работающие на предельной прочности грунтов, должны иметь определенный режим регулирования нагрузок в зависимости от начального состояния и текущего изменения характеристик грунтов. Необходимы расчеты растра позиций машины (при заданных характеристиках ударного рабочего органа), глубины уплотняемой зоны, количества повторных ударов для заданной плотности грунтов основания.

Таким образом, анализ теории и опыта повышения прочности слабых грунтов большой мощности в основании геотехнических сооружений показал необходимость комплексной технологии, включающей:

1) взаимосвязанные технологические стадии работ с применением буровзрывного способа, ударно-импульсных и вибрационно-ударных машин с автоматизацией управления для обеспечения стабильности и ускорения консолидации многослойного слабого основания в строительный период;

2) технологические режимы регулирования высоких (предельных) контактных напряжений при работе машин по всей структуре многослойного основания и мониторинг изме-

нения состояния слабых грунтов методами моделирования и геотехнических исследований.

Такой подход был реализован на объектах компании «Трансстроймеханизация» [7] с учетом влияния порового давления и воздействия больших технологических нагрузок на грунты. Принципиальная схема комплексной технологии (КТ) включает структурные стадии и функциональные технологические блоки. Они образуют в совокупности технико-технологическую систему, допускающую регулирование с целью повышения эффективности производства работ. Концепция КТ заключается в организации взаимосвязанных процессов диагностики, упрочнения и консолидации слабых грунтов по всей структуре основания. Управление технологическими процессами основано на формировании и мониторинге состояния системы «слабые грунты -песчаный массив замены, буровзрывная технология - ударно-импульсная технология -виброуплотнение верхней зоны» в строительный период.

В принципиальной схеме выделим четыре взаимосвязанные параметрами стадии КТ:

1) диагностика характеристик, расчет и оценка стабильности под эксплуатационной и технологической нагрузками;

2) вырезка слабых грунтов, устройство песчаного слоя с уплотнением песчаного массива буровзрывным способом;

3) уплотнение песчаного массива ударно-импульсной машиной (ударно-импульсная технология - УИТ);

4) формирование уплотненной верхней зоны с применением виброкатков (В К).

Стадии связаны переходными состояниями и параметрами, допускающими общую оценку и прогноз выполнения заданных требований по упрочнению и консолидации. Взаимосвязь технологических процессов на стадиях КТ рассмотрим применительно к наиболее сложному типу слабых оснований земляного полотна в заболоченной местности.

Взаимоувязанный выбор технологических режимов упрочнения и консолидации грунтов относится ко всем слоям основания. Для этого структурные стадии и функциональные блоки объединены системой технологического регулирования. Грунтовый массив предложено

уплотнять максимально допустимыми нагрузками, параметры и продолжительность которых следует регулировать в зависимости от состояния несущей способности и стабильности основания. Особенности технологии состоят:

1) в формировании технологически безопасной системы упрочнения многослойного слабого основания большой мощности;

2) в организации взаимодействия в системе «регулируемые рабочие параметры машин - интенсивная технология - характеристики грунтов».

На каждой стадии установлена взаимосвязь грунтовых характеристик и технологических параметров при производстве работ.

Первая стадия КТ заключается в предпо-строечной оценке физико-механических характеристик и стабильности грунтов каждого слоя в структуре слабого основания под эксплуатационной и строительной нагрузками.

Стабильность основания насыпи должна учитывать все нагрузки и воздействие динамических сил не только в период эксплуатации, но и в ходе строительства. Если стабильность по глубине активной зоны не обеспечена, следует организовать вторую стадию КТ.

Вторая стадия КТ состоит в замене слабого грунта песчаным массивом (возможно в комбинации с гидромеханизированным способом намыва песка), посадке массива на минеральное дно буровзрывным способом. Результаты этой стадии следует проверить контрольным бурением, установить структуру песчаного массива и наличие остаточных участков (линз) слабого грунта.

Если по результатам обследования песчаного массива в основании остались участки и линзы слабого грунта, не соответствующие требованиям по стабильности и прогнозным срокам консолидации, то следует применить дополнительные буровзрывные работы и конструктивно-технологические решения глубинного уплотнения.

Третья стадия КТ включает разработку технологических режимов уплотнения песчаного массива с обоснованием параметров работы ударно-импульсной машины Тегга-М после замены слабых грунтов. Для уплотнения слоя рыхлого песка предложено применить максимально допустимые технологические нагрузки, параметры и продолжительность

которых следует регулировать в зависимости от состояния стабильности слабых грунтов.

Анализ эффективных способов интенсивного уплотнения песчаных массивов [8] показал целесообразность применения в КТ (с адаптацией ко всем ее стадиям) машины ударно-импульсного уплотнения. В процессе ее адаптации установлены регулируемые технологические параметры, влияющие на деформации и уплотнение (пористость) грунтов слабого основания: размещение позиций машины (растр L), диаметр D и вес штампа q, импульс удара 1т, коэффициент динамичности К^, число ударов с каждой позиции N. Повышение стабильности основания на третьей стадии КТ должно быть достигнуто за счет регулирования технологических режимов.

Технологическое регулирование состоит в выборе параметров динамического (ударного) воздействия:

а) в позиции ударно-импульсного уплотнения массива песка штампом машины;

б) между позициями работы машины.

Регулирование процесса консолидации и

уплотнения грунтов основания должно обеспечить плотность песков до заданного проектом коэффициента уплотнения и соответствующего коэффициента пористости.

Для обеспечения технологической надежности геотехнических сооружений на стадии уплотнения грунтов следует соблюдать принцип максимально допустимой нагрузки: техногенная нагрузка должна быть установлена и должна регулироваться в максимальном к предельному состоянию грунтов размере, но не более допустимой, безопасной величины по стабильности основания, тиксотропии грунтов и устойчивости возведенной части сооружения

[9].

Особенность состоит в одновременном регулировании нагрузки по критериям:

а) предела прочности грунтов;

б) критического ускорения колебаний в массиве (недопущения тиксотропии);

в) стабильности слабого пограничного слоя.

Если по результатам обследования ударно-

импульсный метод не обеспечивает проектную плотность и стабильность слабого грунта по всему объему активной зоны основания, предусмотрена четвертая стадия - интенсивное виброуплотнение верхнего слоя с устройством

плотного ростверка, который распределяет нагрузку и позволяет выравнять напряжения между ударными позициями машины до нормативного значения плотности.

Четвертая стадия КТ. Требования к ее результатам включают уплотнение верхней разрыхленной после работы машины ударно-импульсного уплотнения зоны и обеспечение равнопрочности основания между уплотненными областями. Для этой цели выбран автоматизированный режим технологического регулирования работы виброкатков, который состоит в последовательном повышении допустимой для песчаного массива нагрузки под контролем коэффициента безопасности и тик-сотропии [10].

Сложность контроля и регулирования на этой стадии состоит в одновременной оценке:

а) соответствия уплотняемой верхней части песчаного массива проектным характеристикам плотности;

б) недопущения тиксотропии;

в) состояния нижнего слоя (остаточных линз) по безопасности (потери стабильности, выпора) под нагрузкой от уплотняемого песчаного массива и виброкатка.

Для защиты от тиксотропии в процессе уплотнения верхней зоны песчаного массива необходимо регулировать величину ускорения колебаний от виброкатка за счет:

а) изменения амплитуды вибровальца (начиная от статического режима с выключенным вибратором);

б) применения при заключительных проходах катка режима горизонтального воздействия (осцилляции);

в) использования в верхнем защитном слое песка без примеси глинистых фракций.

Технологическим требованием к организации КТ является определение допустимой (по коэффициенту безопасности) нагрузки от катка и песчаного слоя, а также ограничения вибровоздействия на всю структуру основания по глубине. Необходимо прогнозировать нагрузку по времени в каждом слое. Динамическая нагрузка от виброкатка в песчаном массиве не должна превышать безопасный предел: Ркt (Ль VI, и) < тт[Рдр ^ Рб, Ртс], где Рк t - нагрузка, зависящая от веса, скорости движения VI , амплитуды А^ частоты и вибровальца катка и контактной жесткости уплот-

няемого слоя в ?-й период интенсивной технологии; Рпр I - предел прочности песчаного слоя с учетом коэффициента динамичности; Рб -безопасная нагрузка для верхнего слоя песка по сдвигу; Ртс - предельно допустимая по тик-сотропии вибронагрузка.

Программа испытаний и анализа результатов ударно-импульсного уплотнения грунтов была разработана ООО «Трансстроймеханиза-ция» применительно к устройству песчаного массива замены слабого основания земляного полотна на строительстве автомагистрали Москва - Санкт-Петербург на опытных участках. Она предусматривала замену торфа насыпными песками мелкими и средней крупности мощностью порядка 5 м и уплотнение массива рыхлого песка с использованием УИТ.

При экспериментальном исследовании УИТ были решены две взаимосвязанные задачи соответственно в двух зонах основания:

а) уплотнение массива рыхлого песка;

б) повышение стабильности слабого пограничного слоя после буровзрывных работ в основании.

Взаимосвязь состояла в том, что при ударном уплотнении песчаного массива нагрузка передавалась одновременно и на слабый слой, но уплотнения не происходило в связи с появлением порового давления Рп, которое уменьшает эффективные напряжения [6, 11].

На опытном участке работ была организована наблюдательная сеть, состоящая из четырех станций, оборудованных датчиками гидростатического давления (измерительные струнные преобразователи давления ПДС). Станция представляла собой скважину, оборудованную тремя датчиками, установленными в единую «косу»:

а) в песчаный массив;

б) в слабые глины и торф (пограничный слой);

в) в суглинки и супесь.

После буровых работ в пробуренную скважину была выполнена установка датчиков, связных в единую «косу». Одновременно выполнено устройство осадочных марок для организации мониторинга за темпом осадки сооружаемой насыпи на участке. Зафиксированные значения гидростатического давления в мае 2016 г. находились в пределах 60340 кПа, при этом минимальные - в датчиках,

установленных в насыпные пески (60-150 кПа). Максимальное давление определено по датчикам, установленным в супеси (суглинки) и за-торфованные грунты (160-340 кПа). Это объясняется наличием избыточного порового давления в глинистых грунтах в результате выполнения взрывных работ и ударно-импульсного уплотнения.

После завершения интенсивных работ в октябре 2016 г. по всем датчикам наблюдался нисходящий тренд изменения гидростатического давления (8-17 кПа/мес.), что отразило процесс консолидации и рассеивания избыточного порового давления. По линии тренда можно судить о показаниях средней скорости изменения гидростатического давления. Этой скорости должен соответствовать прирост технологической нагрузки. В течение всего периода упрочнения основания выполнялся полевой контроль и создавался прогноз состояния грунтов, поскольку применение интенсивной технологии уплотнения состояло в постепенном увеличении динамической нагрузки для повышения плотности грунтов и ускорения консолидации слабого основания.

Опыт применения комплексной технологии упрочнения слабых оснований позволяет сделать следующие выводы:

1. Комплексная технология упрочнения больших массивов грунтов, особенно в наибо-

лее сложном варианте - на болотах, должна включать стадии принципиально разных по техническому оснащению процессов замены и уплотнения слабого основания:

1) земляные работы по устройству (гидронамыву или отсыпке) песчаного массива;

2) буровзрывные работы по посадке массива на минеральное дно;

3) ударно-импульсную технологию упрочнения массива;

4) виброуплотнение верхней зоны основания.

2. Все стадии комплексной технологии синтезированы в систему с блоками адаптивного регулирования технологических процессов между стадиями. Суть адаптивного регулирования состоит в поддержании принципа максимально допустимых динамических нагрузок в соответствии с изменением физико-механических характеристик грунтов и порового давления в слабом основании.

3. Параметры безопасного ударно-импульсного уплотнения и виброуплотнения по глубине основания (нагрузки, частоты вибрации) следует определять с учетом порового давления и критического ускорения. Поровое давление и технологическая нагрузка не должны превышать величину безопасной нагрузки для грунтов, а ускорение колебаний в грунтах не должно превышать критическое.

Библиографический список

1. Технический регламент о безопасности зданий и сооружений : Федеральный закон Российской Федерации от 23.12.2009 № 384-Ф3. М., 2010. 33 с.

2. Рекомендации по интенсивной технологии и мониторингу строительства земляных сооружений на слабых основаниях. М. : ТИМР, 2005. 64 с.

3. СП 45.13330.2017. Земляные сооружения, основания и фундаменты. Актуализированная редакция СНиП 3.02.01-87. М. : Минстрой РФ, 2017. 171 с.

4. Lutskiy S. Ya., Shepitko T. V. Geotechnical structures foundation stabilization technological processes control // Proceeding of 2016 IEEE Conference. Sankt-Petersburg, 2017. Р. 398-400.

5. Цытович Н. А. Механика грунтов. М. : Высш. шк., 1983. 288 с.

6. KempfertH.-G., StadelM., Zaeske D. Berechnung von geokunststoffbewehrten Tragschichten über Pfahlelementen // Bautechnik. 1997. № 74 (12). S. 812-825.

7. Луцкий С. Я., Сакун Б. В. Теория и практика транспортного строительства. М. : Первая образцовая типография, 2018. 304 с.

8. Хархута Н. Я., Васильев Ю. М. Прочность, устойчивость и уплотнение грунтов земляного полотна автомобильных дорог. М. : Транспорт, 1975. 288 с.

9. Крамаренко В. В. Грунтоведение. М. : Studme, 2017. 430 с.

10. Строительство путей сообщения на Севере / С. Я. Луцкий [и др.]. М. : ЛАТМЭС, 2009. 286 с.

11. Jiankun Liu, Liyun Peng. Experimental Study on the Unconfined Compression of a Thawing Soil // Cold Regions Science and Technology. 2009. Vol. 58. Р. 92-96.

S. Ya. Lutskiy, A. Ya. Landsman, V. A. Zabolotny, A. A. Lychkovsky

Complex Technology and Hydro Geological Monitoring of Hardening Weak Subgrade Foundations

Abstract. The necessity of operational reliability improvement of geotechnical structures is associated with the development of a transportation network in regions with complex engineering and geological conditions and an increase in the dynamic impact of vehicles. The article describes the implementation features of the regulatory requirements for the safety of the roadbed during the construction period. It considers intensive technological modes of high volume increase weak soils carrying abilities at the base of the roadbed. It offers methodical foundations of the intensive technology of hardening weak subgrade foundations. The article summarizes the experience and determines the effectiveness for the use of technological regulations. The technology of supplying the stability of geotechnical structures on weak soils is patented by the authors. The technique is intended for the construction of railways and highways in marshy areas and wetlands. The article shows the necessity of technological loads regulations and pore pressure monitoring. The ways to improve the strength characteristics of the embankment base are proved. The concept of complex technology is concluded in diagnostics, strengthening and consolidation of weak soils in high volume. Technological process control is based on the structuring and monitoring in real time of a technologically safe system of loads and impactions to a weak sub grade. The principle application of the maximum permissible dynamic loads is justified. Technological regulation is associated with changes in the physical and mechanical characteristics of soils during construction.

Key words: technological regulation; weak soils; subgrade; complex technology.

Луцкий Святослав Яковлевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Проектирование и строительство железных дорог» Российского университета транспорта (МИИТ). E-mail: lsy40@mail.ru

Ландсман Анатолий Яковлевич - доктор экономических наук, профессор, заведующий кафедрой Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). E-mail: map@sdm.ru

Заболотный Вячеслав Андреевич - заместитель главного инженера ООО «Трансстроймеханизация». E-mail: 9036846767@mail.ru

Лычковский Александр Александрович - аспирант кафедры «Проектирование и строительство железных дорог» Российского университета транспорта (МИИТ). E-mail: pheonix9@yandex.ru