Анализ несущей способности просадочного основания земляного полотна на вечномерзлых грунтах

УДК 69

DOI 10.21661/Г-464080

СЯ. Луцкий, И.А. Артюшенко

АНАЛИЗ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПРОСАДОЧНОГО ОСНОВАНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ

Аннотация: в статье представлен анализ теории и практики расчета несущей способности земляного полотна в условиях вечномерзлых грунтов на примере Северно-Широтного Хода. Показаны расчеты коэффициентов стабильности и надежности земляного полотна в сложных природных условиях.

Ключевые слова: стабильность, устойчивость, вечная мерзлота, земляное полотно, интенсивная технология.

S.Ya. Lutsky, I A. Artyushenko

ANALYSIS OF THE BEARING CAPACITY OF THE SUBSIDENCE BASE OF THE ROADBED ON THE PERMAFROST SOIL

Abstract: the article presents an analysis of the theory and practice of calculating the bearing capacity of the roadbed in conditions ofpermafrost soils using the example of the North-Latitudinal Railway. Calculations of the stability coefficient and the safety factor of the roadbed in difficult natural conditions are shown.

Keywords: stability, sustainability, permafrost, roadbed, intensive technology.

Актуальность темы обусловлена ростом строительства объектов в зоне распространения мерзлых грунтов, связано это с уникальными природными условиями в данной местности. Обеспечение устойчивости на просадочных основаниях является одной из мало изученных проблем безопасности эксплуатации сооружения. В теории основное внимание ученых занимающихся данной проблемой направленно на совершенствование конструкции и эксплуатационной надежности земляных сооружений. В сложных природных условиях строительства объектов путей сообщений на севере особенно важен выбор технологических решений, обеспечивающих надежность сооружений.

Центр научного сотрудничества «Интерактив плюс»

Цель: анализ несущей способности основания земляного полотна на участках с многолетнемерзлыми грунтами и выбор инженерного решения для повышения основных характеристик грунтов основания.

Постановка задачи. В данной статье мы рассмотрим участок перегона Ивлевский - Тальников железнодорожной линии Салехард - Надым, где преобладают многолетнемерзлые грунты и глинистые грунты с повышенной влажностью.

Проектирование земляного полотна выполнено в соответствии с действующими нормативными документами СТН Ц-01-95, СП 32-104-98, используя типовые поперечные профили, разработанные в составе проектной документации «Строительство новой железнодорожной линии «Салехард - Надым», выполненной ООО «Транспроект».

Минимальная ширина земляного полотна из дренирующих грунтов на прямых участках пути принята в соответствии с табл. 9 СТН Ц-01-95 шириной 6,60 м (защитный слой из дренирующего грунта) [7].

В зависимости от инженерно-криологических условий ширина насыпи уточняется. На таких участках насыпь сооружается с запасом на осадку и оттаивание как самого тела земляного полотна, так и его основания.

Ha основании предварительных инженерно-криологических данных, от 50% до 60% протяженности вариантов трассы расположены на участках с наличием высокотемпературной мерзлоты с островным характером распространения.

Для отсыпки земляного полотна возможно использование следующих грунтов:

- на сухих местах - песок пылеватый. Защитный слой (гравийно-галечни-ковый грунт) в верхней части 3П предусматривается толщиной 1,0 M. Под низ защитного слоя укладывается нетканый геотекстиль. Заложение откосов насыпи 1:1,75;

- на участках подтопления, болотах и в выемках: песок средней крупности.

Scientific Cooperation Center "Interactive plus"

Защитный слой (гравийно-галечниковый грунт) в верхней части ЗП предусматриваем толщиной 0,20 м. Под низ защитного слоя укладывается нетканый геотекстиль. Заложение откосов насыпи 1:1,2.

Для уменьшения эксплуатационных затрат и безаварийной работы земляного полотна и верхнего строения пути выполнены следующие конструктивные решения:

- создание защитного подбалластного слоя (верхний защитный слой) из подобранного гранулометрического состава с применением полимерных и геосинтетических материалов, обеспечивающих требуемую прочность грунтов основной площадки, снижение деформативности пути. Данный слой выполняет функцию несущего элемента;

- создание защитного слоя из непучинистых грунтов для исключения процессов пучения (нижний защитный слой) грунтов тела земляного полотна, сложенного пылеватыми и глинистыми грунтами. Данный слой выполняет функцию ограничение процессов пучения грунтов тела насыпи и основания;

- усиление земляного полотна бермами по устойчивости на участках со слабыми и неустойчивыми грунтами в основании земляного полотна. Для уменьшения объемов земляных работ на отдельных участках совместно с бермами по устойчивости предусмотрено усиление тела насыпи высокопрочным геотекстилем, укладываемым в основание земляного полотна.

На участках c высокотемпературной мерзлотой для уменьшения термокарстовых процессов в основании насыпи предусматривается обжатие мохово-рас-тительного слоя толщиной 0,20 м. На остальных участках предусмотрена срезка мохово-растительного слоя (0,20 м).

Укрепление откосов выполняется травопосевом (районированными семенами) по торфо-песчаной смесью толщиной 0,20 м.

Исходный вид земляного полотна предложен в проектной документации, но в данной статье мы рассмотрим не усиление земляного полотна за счет отсыпки

берм, а усиление грунтов основания за счет применения интенсивной технологии, так как это менее трудоемкая, более скоро временная и относительно дешевая технология.

Анализ деформативности оснований и устойчивости насыпей

Таблица 1

Физико-механические характеристики грунтов основания

й

I н

О X

к 2

<и <и

X ч

<и m

N о

х

к

и О

D О

К X а о К С

О

<и

К U

о ч о <и

U

Л

ч

(U £ S3

и о

с

я

а

н

н

е

в

т

с

е aj

т с ч

е

ь т с st

о

н

*

а

л

m

П л о т н о с т ь

й н

X /-)

я "Е:

к w

L- ос

о Рч

й

сг

й т

X г-)

m 1-н о X

^ Рн л

И

с

й т

н

^

О ^

о -О X Рн

с

Пластичность

И Ш

н 3

а н

и ^

О Hi qS м

о & ^ £

а н

т с а л

с

о л с и ч

и

т

с

е

ч

у

к

е aj

т

ь 4

л 4—(

е bJ

т HH

а

ааз

к

о

По

а Па

о

<и

и н

(U

л

С

(U

а О

Суглинок мяг-копла-стичный

нормативное значение

0,300

2,69

2,03

1,85

0,34

0,19

0,15

1,28

10,00

0,018

17

Необходимо произвести расчеты по формулам из учебного пособия «Расчеты и проектирование железнодорожного пути» под редакцией д-ра тех. наук, проф. Виноградова В. В [5].

Расчет нагрузок деятельного слоя и насыпи, соответственно: *д.с. = Удх. X Яд,с, = 19,4 X 1,06 = 20,564 кН/м2, где уд,с, - удельный вес деятельного слоя; Ядс. - мощность деятельного слоя.

^нас = /нас X ^ас = 18,5 X 3,4 = 64,6 кН/м2, где унас - удельный вес насыпи; Янас - мощность насыпи.

рд.с = я^+^с^ J + 3.14X18X3.27 = 73.312 кН/м2,

кр сС5фд,с,+фд,с,-^ ' 3,27+0,296-1,57 ' '

где Сдс, - сцепление деятельного слоя;

^дс. - угол внутреннего трения деятельного слоя.

Примечание: так как мы рассматриваем точку в самой вершине деятельного слоя, то Ид.с=0, а, иследовательно, и произведение yft. = 0, поэтому они и пропадут в расчете критической нагрузки на деятельный слой.

+ Ст х ct#^T) 3,14 х

Рт —--и т/А) —-

^кр , _ и

с^ + ^-Л ' 5,14 + 0,192-1,57

= 64,386 кН/м2

Примечание: для вычисления ctg необходимо брать угол ^ в градусах, а для арифметических операций необходимо угол переводить в радианы.

Расчет эксплуатационных нагрузок на деятельный слой и талик, соответственно [5]:

Рэдс. = ртр + рВСП + рнас = 18,7 + 1,84 + 64,6 = 86,14 кН/м2 РЭт = ртр + рВСП + рнас + рдх. = 17,93 + 1,312 + 64,6 + 31,43 = 115,27 кН/м2 Расчет нагрузок от подвижного состава и от ВСП производится по формуле

[5]:

fi = I V р

'"'всп/тр 'всп/тр ^ гвсп/тр

где бвсп/тр - напряжение от ВСП/подвижного состава (кН/м2); Рвсп/тр - нагрузка от ВСП/ подвижного состава, действующие на основание насыпи (кН/м2); 1всп/тр - табулированное (вспомогательное) число, зависящее от ширины прикладываемой нагрузки Ьвсн/тр (м) и глубины расположения слоя основания увсп/тр. (м).

Значения 1всп/тр мы получаем при помощи интерполяции значений приложения 5 данного учебного пособия, отталкиваясь от значений отношения Увсп/тр.

^всп/тр

Результаты расчета сведены в таблицу 2.

Таблица 2

Значения напряжений от внешних эксплуатационных нагрузок по глубине

Yвсп/тp, м Точки сеч-я Yтp/bтp Yвсп/bвсп 1тр 1всп бтр, кН/ м2 бвсп, кН/м2

0 1 0 0 1 1 110 16

3,4 2 2,236842 0,94444444 0,170 0,090 18,7 1,84

3,79 3 2,493421 1,05277777 0,163 0,082 17,93 1,312

5,29 4 3,480263 1,46944444 0,112 0,080 12,32 1,28

9,89 5 6,506578 2,74722222 0,100 0,077 11 1,232

Pвсп 16 Нагрузка от ВСП

Pn 110 нагрузка от подвижного состава

ЬП 1,52 ширина нагрузки от подвижного состава

Ьвсп 3,6 ширина нагрузки от верхнего строения пути

-ВСП

1 -

s [асыпь

п ГЛ

\

2 СЛ I" ДГШГ.!Ы|Ы1!

го Г" слон

Я VI 4 i _ -

5 .: г If

< 1 . 1 1 1 1 I

Рис. 1. Эпюра напряжений от ВСП

—4~ • -1. гп , 1 1

'1

MM.*

HlfUlU

•2 1 I

1 1 \

тг

\ СП 1

>

<< 0\ (СЯ1ГЛЬНЫН

*

Г) Я О S

ммг

Рис. 2. Эпюра напряжений от транспортной нагрузки

Расчет коэффициентов безопасности: Коэффициент безопасности деятельного слоя [3]:

К= = 73312 = 0,851,

без Рэдс' 86,14

где

К

д.с. без

коэффициент безопасности деятельного слоя,

Р

д.с.

кр _

критическая

нагрузка, воспринимаемая деятельным слоем (кН 1м2), Р

д.с.

эксплуатационная

нагрузка, действующая на деятельный слой ( Коэффициент безопасности талика [3]:

кН / м2

т _ ЛГр _ 64,386 без г>т

IT-Т _ ' кР _

Рэт 115,27

= 0,55,

ут рт

где без - коэффициент безопасности талика; кр - критическая нагрузка, вос-

принимаемая таликом (

кН / м2

Рт

); э _ эксплуатационная нагрузка, действующая

на талик (

кН / м2

).

После расчета в ручную мы проверяем ту же насыпь в программных комплексах «GEO5» и «Plaxis».

Рис. 3. Расчет смещения земляного полотна в программном

комплексе Plaxis

Deformed mesh

Extreme total displacement 14,30*10 5 m

Рис. 4. Деформированное состояние насыпи показанное в программном

комплексе Plaxis

Sum-Msf Chart 1

Curve 1

3,e3 6,e3 9, |U| [m] гЗ 1,2е4

Рис. 5. Изменение коэффициента стабильности со временем после процесса консолидации

Calculation information

[Mphers j Additional Irfc | Step Info |

-Step Info-

Step

Plastic STEP

346 of 346 Extrapolation factor Relative stiffness

-Multipliers-

1,000 0,000

Incremental multipliers Total multipliers

Prescribed displaoements Mdisp: 0,000 E-Mdisp: 1,000

Load system A MloadA: 0,000 E-MloadA; 1,000

Load system B MloadB: 0,000 E-MloadB: 1,000

Soil weight Mmeight: 0,000 E-Mweight: 1,000

Acceleration Maccel: 0,000 E-Maoœl: 0,000

Strengtin redudion fäctor Msf: 0,000 ^E-Msf: 1,333

Time Increment: 0,000 End time: 733,067

Dynamic time Increment: 0,000 End time: 0,000

Print

OK

Рис. 6. Расчет коэффицента стабильности в программном комплексе Plaxis

2D

Ily о.

у ^ i-

о

X У У 's У / ^

/ШШк/Ш / s уs

S у у у у > X у-/ у

АШк

XX У У / XX У ШХХ У y X У / /У

<XxrZZ/xxyy s'xxууущ XX / XXy X шХМ A У y / У

/•/Щу X // X/ / y y m / X У s ;

' / y~y y x s xx / y Жа y X/у X/

'Ш Ху X -< Xm у ауX XX  ' XX У у / У y X X y y X y Xm,

/ж/, .

ххшх

X

X

Расчёт : | J I gj [1] [ н I

I

Бычис.

гколь^кения :

круглоцил.

расчета

1 Шахунянц m

| Оптимизация m

Запенить графически | | / Править текстом | X Удалить | | ^ Круглоцилиндрическая поверхность скольжения 4,38 [и] z = 5,-Ю [п]

Центр:

6,57 [п]

Радиус:

1Трм

VC1

ОI I

(ш.

Рас

Рис. 7. Расчет коэффициента устойчивости в программном комплексе GEO5

sj Подробные результаты

Проверка устойчив ост нот коса

Коэфф, запаса = 0,85 < 1,50 Устойчивость откоса НЕ ПОДХОДИТ

Рис. 8. Расчет Коэффициента устойчивости в программе GEO5

Центр научного сотрудничества «Интерактив плюс»

Вывод. Проведя данные расчеты, отталкиваясь от показателей коэффициентов безопасности, можем сделать вывод, что данное основание не является безопасным для возведения и эксплуатации насыпи на данном участке. Следовательно, требуется упрочнение грунтов основания методом применения интенсивной технологии.

Список литературы

1. Ведомственные строительные нормы ВСН 61-89 «Изыскания, проектирование и строительство железных дорог в районах вечной мерзлоты» (утв. Приказом Министерства транспортного строительства СССР от 20.07.1989 N МО 437).

2. Ведомственные строительные нормы ВСН 84-89 «Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распространения вечной мерзлоты»

3. Луцкий С.Я. Рекомендации по интенсивной технологии и мониторингу строительства земляных сооружений на слабых основаниях / Под общ. редакцией С.Я. Луцкого - М.: Тимр, 2005. - 96 с.

4. Луцкий С.Я. Строительство путей сообщения на Севере / С.Я. Луцкий, Т.В. Шепитько [и др.]. - М.: ЛАТМЭС, 2009. - 286 с.

5. Расчёты и проектирование железнодорожного пути: Учебное пособие для студентов вузов ж.-д. трансп. / В.В. Виноградов, А.М. Никонов, Т.Г. Яковлева [и др.]; под ред. В.В. Виноградова, А.М. Никонова. - М.: Маршрут, 2003. - 486 с.

6. Свод правил СП 25.13330.2012 «СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах». Актуализированная редакция СНиП 2.02.0488 (утв. приказом Министерства регионального развития РФ от 29 декабря 2011 г. №622).

7. СТН Ц-01-95. Строительно-технические нормы Министерства путей сообщения Российской Федерации. Железные дороги колеи 1520 мм. - М., 1995.

Луцкий Святослав Яковлевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Проектирование и строительство железных дорог» ФГБОУ ВО «Российский университет транспорта (МИИТ)», Россия, Москва.

Lutsky Svyatoslav Yakovlevich - doctor of technical sciences, professor of "Design and construction of Railways" Department at the Russian University of Transport, Russia, Moscow.

Артюшенко Игорь Александрович - аспирант кафедры «Проектирование и строительство железных дорог» ФГБОУ ВО «Российский университет транспорта (МИИТ)», Россия, Москва.

Artyushenko Igor Alexandrovich - postgraduate of the "Design and construction of Railways" Department at the Russian University of Transport, Russia, Moscow.