Способ регулирования подземных вод в основании дорог

УДК 624.138.4.

Клочков Яков Владимирович Yakov Klochkov

Сигачев Николай Петрович Nikolay Sigachev

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ОСНОВАНИИ ДОРОГ

METHOD OF GROUNDWATER REGULATION AT THE BASE OF ROADS

Рассмотрена проблема регулирования подземных вод в основании дорог. Ее решением является создание противофильтрационного экрана в грунте для остановки фильтрации воды сквозь основание сооружения и её перенаправление в русло водотока. Для производства работ подобран сравнительно недорогой материал «Криогелит», который по своей природе является криотропным гелем и не размывается под действием подземных вод. Определены его теплотехнические характеристики после введения в грунт, которые необходимо учитывать при расчёте температурного режима грунтов. Разработан новый способ создания противофильтрационного экрана с возможностью применения лёгкой техники, который заключается в устройстве со стороны поступления напорных вод противофильтрационного экрана у тела насыпи и отводе воды в водопропускное сооружение. Процесс создания противофильтрационного экрана заключается в проведении высоконапорных инъекций материала «Криогелит» с помощью струйной технологии без вращения монитора. Для определения степени влияния подземных вод произведено моделирование температурного поля в насыпи до и после устройства противофильтрационного экрана. По результатам моделирования установлено, что граница сезонного замерзания после устройства противофильтрационного экрана понижается. Для определения экономической эффективности разработанного способа создания противофильтрацион-ного экрана с применением материала «Криогелит» произведено сравнение с известными технологиями и материалами. Выявлено, что разработанная технология является наименее затратной и наиболее

The problem of groundwater regulation at the base of roads is described. The solution to this problem is the creation of impervious screen in the soil to stop water infiltration through the base of roads and its redirecting to the streambed. For work production a relatively inexpensive material «Cryogelit» was picked up, which by its nature is cryogel and is not eroded under the action of groundwater. Its thermal characteristics after introduction into soil are determined and that features must be considered in the calculation of the temperature regime of soils. A new way of creating impervious screen with the ability to use light vehicles is developed, which is a device with the side pressure water impervious screen in the body of the embankment and the drainage of water in culvert construction. The process of creating impervious screen is to conduct high-pressure injection of «Cryogelit» material by using jet grouting technology without rotating the monitor. To determine the degree of groundwater influence was produced by simulation of the temperature field in the embankment before and after the device impervious screen. Simulation results proved that the boundary of seasonal freezing after the device impervious screen is lowered. To determine the economic efficiency of the developed method of creating impervious screen by using the material «Cryogelit», the comparison with the known technologies and materials was made. It was obtained that the developed technology is the least expensive and most cost-effective. On the bases of the suggested technology and material, a typical technological process for stabilization of subgrade by using the polymer material Cryogelit», technical specification for the application of polymer blends «Cryogelit» to stabilize the infrastructure were developed

экономически выгодной. На основе предлагаемых технологий и материала разработан типовой технологический процесс по стабилизации земляного полотна с использованием полимерного материала «Криогелит», технические условия по применению полимерной смеси «Криогелит» для стабилизации объектов инфраструктуры

Ключевые слова: подземные воды, противо-фильтрационный экран, криотропный полимерный материал, теплотехнические свойства, струйная технология, температурное поле

Key words: groundwater, impervious screen, cryot-rophy polymer material, thermal properties, jet grouting technology, temperature field

Проблемы ремонта земляного полотна в

ходе реконструкции зачастую заключаются в отсутствии типовых инструкций по укреплению и стабилизации земляного полотна с учётом эксплуатационных, климатических, геологических и других условий, что вызывает сложности при выдаче заданий на проектирование, разработке проектной документации и приёмке работ [3, 4, 5, 6, 7, 10].

Усиление земляного полотна в основном производится традиционными методами, требующими большого количества доставляемых к месту работ материалов и «окон» для выполнения работ. Новые технологии и современные материалы в силу ряда причин имеют ограниченное применение при стабилизации земляного полотна. Прежде всего, из-за относительно высокой стоимости, сложности монтажных работ и невозможности применения в условиях строительства в районах распространения многолетней мерзлоты. В этой связи должны быть учтены вопросы экономики, экологии, безопасности ведения работ [8].

Одной из проблем Забайкалья являются подземные воды, находящиеся под сооружением, которые зачастую невозможно отвести. Это обусловлено тем, что они протекают в логах, а для устройства дренажа необходим его переход через водораздел для обеспечения его выпуска либо устройство его перехода сквозь насыпь и отвода собранной воды вниз по логу, что крайне затруднительно.

Решением указанной проблемы является создание противофильтрационного экрана в грунте для остановки фильтрации воды сквозь основание сооружения и её перенаправление в русло водотока.

При использовании существующих технологий можно выделить следующие трудности:

1) невозможность производства работ с помощью тяжёлой техники.

2) дороговизна применяемых материалов (из-за наличия фильтрации в водоносном слое применение обычных вяжущих невозможно).

Ввиду этих причин необходима разработка материала и способа, позволяющих создать противофильтрационный экран в обводненном грунте. Для реализации поставленных задач разработан материал «Криогелит», который по своей природе является криотропным гелем (криогелем) — полимерным гелем, образующимся в результате замораживания и последующего оттаивания водного раствора полимера с верхней критической температурой растворения. Пространственная структура материала «Криогелит» формируется за счёт фазового перехода и стабилизируется межмолекулярными связями различной природы. «Криогелит» устойчив к агрессивным средам, имеет хорошую адгезию к различным материалам, связующие свойства, ат-мосферостойкость.

Так как материал состоит на 90 % из воды, то он обладает аналогичными воде свойствами, т. е. имеет границу фазового

перехода [1, 2, 9]. Для рассмотрения те-плофизических свойств воды и материала проведён опыт по замораживанию-оттаи-

ванию образцов песка с полным водонасы-щением водой и криогелем. Результаты эксперимента представлены на рис. 1, 2.

Рис. 1. Изменение температуры образцов при замерзании

Рис. 2. Изменение температуры образцов при оттаивании

Можно выделить следующую особенность: песок, насыщенный криогелем, замерзает медленнее, так как теплопроводность криогеля ниже теплопроводности воды в 2 раза, а температура фазового перехода равна —0,4 °С. Теплота льдообразования криогеля идентична теплоте

льдообразования воды. Разница в продолжительности замерзания образцов заключается в том, что в одном и том же объёме воды и криогеля содержится разное количество воды. Теплотехнические характеристики материалов после цикла промерзание-оттаивание приведены в табл. 1.

Таблица 1

Теплотехнические характеристики материалов

Состав масс Теплопроводность, Вт/

Вода 0,63

Криогель 5 %-ный раствор 0,33

Криогель 10 %-ный раствор 0,33

Песок, насыщенный водой 1,75

Песок, насыщенный криогелем 1,5

Данные особенности необходимо учитывать при расчёте температурного режима грунтов. Пример распределения темпера-

тур при устройстве противофильтрацион-ного экрана в грунте приведен на рис. 3.

Рис. 3. Распределение температурного поля в основании насыпи после устройства полимерно-грунтовой стены в момент наибольшего оттаивания

В месте, где устроен экран из криоге-ля, наблюдается более быстрое оттаивание по причине различных теплотехнических свойств грунта, насыщенного криогелем, и обыкновенного грунта.

Материал «Криогелит» при положительных температурах представляет собой гель, который легко вводится в грунтовый материал, и с течением времени подвержен загустеванию. При введении «сшивателя» во время производства работ материал быстро загустевает и приобретает сопротивление давлению на размывание.

Для определения максимального давления на размывание проведены лабораторные исследования. Сравнивались два варианта инъектируемого раствора: обычный цементный раствор и цементный раствор с

добавлением материала «Криогелит». Испытания производились сразу после приготовления раствора.

По результатам испытаний получено, что стандартный цементно-песчаный раствор не выдерживает давления напорных подземных вод и сразу начинает размываться, в результате чего наблюдается вымывание материала из грунта. Цементный раствор с добавлением материала «Крио-гелит» сразу после введения выдерживает давление более 6 атм. Точное гидродинамическое давление определить не удалось, так как при давлении более 6 атм. происходит разгерметизация прибора.

Таким образом, цементный раствор с добавлением материала «Криогелит» идеально подходит для создания противофиль-

трационного экрана на пути напорных подземных вод. Стоимость же раствора ниже по сравнению с аналогичными добавками.

Технология стабилизации земляного полотна состоит в устройстве со стороны поступления напорных вод противофиль-трационного экрана у тела насыпи и отводе воды в водопропускное сооружение. Процесс создания противофильтрационного экрана заключается в проведении высоконапорных инъекций материала «Криогелит» с помощью струйной технологии без вращения монитора.

Устройство противофильтрационно-го экрана осуществляется с помощью высоконапорного разрушения грунта струёй материала «Криогелит» перемешиванием материала с грунтом и образования грун-тополимерного слоя, заглубленного до водоупорного слоя и продолженного на проектное расстояние вдоль насыпи (рис. 4). Процесс состоит из следующих этапов: подготовка к работе, бурение лидирующей скважины, устройство противофильтраци-онного экрана из грунта, смешанного с материалом «Криогелит».

Напорные грунтовые воды

Рис. 4. Схема устройства противофильтрационного экрана

На месте начала противофильтраци-онного экрана производится бурение лидирующей скважины. На буровую установку помещается штанга, оснащённая двумя форсунками, направленными в одну сторону (монитор). В пробуренную скважину устанавливается монитор, после чего включается насос высокого давления, происходит размывание и перемешивание грунта высоконапорной струёй полимерце-ментного состава под давлением 250...300 атм., причём одновременно через вторую форсунку подаётся «сшиватель», при этом

монитор поднимается со скоростью 0,5 м/ мин до выхода струи на дневную поверхность, после чего насос отключается. В результате первой проходки получается размытый канал шириной 0,2 м и длиной 0,6 м, содержащий грунтополимерцементный материал, образующий часть противофильтрационного экрана. После первой проходки установка передвигается вдоль образовавшегося канала до упора в твёрдый неразмытый грунт (конец первой проходки является началом второй). В результате выполнения работ получается сплошной

водонепроницаемый экран, который препятствует проникновению подземных вод сквозь основание насыпи.

Для определения степени влияния подземных вод произведено моделирование температурного поля в насыпи до и после устройства противофильтрационного экрана.

По результатам моделирования получено, что граница сезонного замерзания после устройства противофильтрационного экрана понижается на 0,6 м, что обусловлено прекращением фильтрации подземных вод и снижением влажности грунтов основания.

Наличие фильтрации подземных вод в зоне промерзания-оттаивания оказывает влияние на температурный режим соору-

Таким образом, разработанная технология является наименее затратной и наиболее экономически выгодной, что способствует снижению затрат на производство работ.

На основе предлагаемых технологий и материала разработан типовой технологи-

Литература-

1. Алтунина Л.К., Манжай В.Н., Фуфаева М.С. Механические и теплофизические свойства криогелей и пенокриогелей, полученных из водных растворов поливинилового спирта // Журнал прикладной химии. 2006. Т. 79. № 10. С. 1689-1692.

жения. На линейных сооружениях, пересекающих подземные водотоки, возможно неравномерное пучение вследствие неравномерного промерзания, так как водоносные горизонты имеют чётко выраженные границы.

Для определения экономической эффективности разработанного способа создания противофильтрационного экрана с применением материала «Криогелит» произведено сравнение с известными технологиями и материалами. В качестве альтернативного материала можно использовать акрилатный гель, а в качестве альтернативной технологии возможна укладка полимерной пленки. Технико-экономические показатели альтернативных вариантов представлены в табл. 2.

ческий процесс по стабилизации земляного полотна с использованием полимерного материала «Криогелит», технические условия по применению полимерной смеси «Крио-гелит» для стабилизации объектов инфраструктуры, утвержденные ОАО «РЖД».

_References

1. Altunina L.K., Manzhay V.N., Fufaeva M.S. Zhurnal prikladnoy himii (Journal of Applied Chemistry), 2006, vol. 79, no. 10, pp. 1689-1692.

Таблица 2

Технико-экономические показатели различных способов устройства противофильтрационного экрана

Характеристика Использование материала «Криогелит» Использование акрилатного геля Укладка полимерной пленки

Протяжённость участка, м 10 10 10

Глубина экрана, м 4 4 4

Объем выемки, м3 - - 24

Используемая тяжелая Насос высокого давления Насос высокого давления Экскаватор, бульдозер,

техника на базе а/м на базе а/м тягач с прицепом

Необходимость устройства дороги до места работ Нет Нет Да

Стоимость выполнения работ, тыс. руб. 416,568 86 518,870 439,950

2. Алтунина Л.К., Сваровская Л.И., Филатов Д.А., Фуфаева М.С., Жук Е.А., Бендер О.Г., Сига-чев Н.П., Коновалова Н.А. Полевые эксперименты по применению криогелей с целью защиты от водной и ветровой эрозии // Проблемы агрохимии и экологии. 2013. № 2. С. 47-52.

3. Ашпиз Е.С., Хрусталёв Л.Н. Предупреждение многолетнего оттаивания мерзлоты в основании насыпи с применением теплоизоляции / / Тр. шестой науч.-техн. конф. с междунар. участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна железных дорог». М.: МИИТ, 2009. С. 123-125.

4. Жданова С.М. Принципы обеспечения стабилизации земляного полотна в южной зоне вечной мерзлоты: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Хабаровск, 2007.

5. Крылов Д.А., Мельникова Ю.С. Математическое моделирование распределения температурных полей в криолитозоне // МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. С. 94-97.

6. Кондратьев В.Г. Стабилизация земляного полотна на вечномерзлых грунтах. Чита: Поли-графРесурс, 2011. 176 с.

7. Пассек В.В., Цернант А.А., Цуканов Н.А., Пшеничникова Е.С., Вербух Н.Ф. Методические рекомендации по применению ко нструктивных мероприятий для сохранения вечномерзлых грунтов в основаниях земляного полотна и искусственных сооружений на автомобильных дорогах Центральной Якутии. Науч.-исслед. ин-т трансп. стр-ва (ОАО «ЦНИИС»). М., 2010.

8. Сигачев Н.П., Клочков Я.В., Коновалова Н.А. Применение полимерной грунтоукрепляющей смеси «Криогелит» в условиях Забайкальской железной дороги // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути: тезисы докладов. М., 2013. С. 95-96.

9. Фуфаева М.С. Формирование гетерофаз-ных криогелей и пенокриогелей на основе водного раствора поливинилового спирта и регулирование их свойств: автореф. дисс. ... канд. хим. наук. Томск, 2013. 143 с.

10. Ярмолинский А.И. Регулирование водно-теплового режима автомобильных дорог в условиях муссонного климата: автореф. дисс. ... д-ра техн. наук. М.: МАДИ, 1995. 42 с.

2. Altunina L.K., Svarovskaya L.I., Filatov D.A., Fufaeva M.S., Zhuk E.A., Bender O.G., Sigachyov N.P., Konovalova N.A. Problemy agrohimii i ekologii (Agricultural Chemistry and Environment), 2013, no. 2, pp. 47-52.

3. Ashpiz E.S., Khrustalev L.N. Tr. Shestoy nauchno-tehnicheskoy konferentsii s mezhdun-arodnym uchastiem «Sovremennye problemy pro-ektirovaniya, stroitelstva i ekspluatatsii zemlyanogo polotna zheleznyh dorog» (Proceedings of the sixth scientific and engineering. conf. with int. participation «Modern problems of design, construction and operation of the railway roadbed»). Moscow: Engineering, 2009.pp. 123-125.

4. Zhdanova S.M. Principles of subgrade stabilization in the southern permafrost [Printsipy obespech-eniya stabilizatsii zemlyanogo polotna v yuzhnoy zone vechnoy merzloty]: abstract diss. ... cand. tehn. sciences. Khabarovsk, 2007.

5. Krylov D.A., Melnikova Yu.S. Matematiches-koe modelirovanie raspredeleniya temperaturnyh poley v kriolitozone [Mathematical modeling of the distribution of temperature fields in permafrost]. MSTU named after N.E. Bauman, 2009. P. 94-97.

6. Kondratiev V.G. Stabilizatsiya zemlyanogo polotna na vechnomerzlyh gruntah [Stabilization of the subgrade on permafrost]. Chita Poligraf Resurs, 2011.176 p.

7. Passek V.V., Tsernant A.A., Tsukanov N.A., Pshenichnikova E.S., Verbukh N.F. Metodicheskie rekomendatsii po primeneniyu konstruktivnyh me-ropriyatiy dlya sohraneniya vechnomerzlyh gruntov v osnovaniyah zemlyanogo polotna i iskusstvennyh sooruzheniy na avtomobilnyh dorogah Tsentralnoy Yakutii. Nauch. -issled. in-t transp. str-va (OAO «TsNI-IS») [Guidelines on the application of structural measures for the preservation of permafrost in the roadbed foundations and structures on the roads of Central Ya-kutiya. Scientific-research. Inst. of Transport building (JSC «TsNIIS»)]. Moscow, 2010.

8. Sigachyov N.P., Klotchkov Ya.V., Konovalova N.A. Sovremennye problemy proektirovaniya, stroi-telstva i ekspluatatsii zheleznodorozhnogo puti (Modern problems of design, construction and operation of the railway line): thesis. Moscow, 2013. P. 95-96.

9. Fufaeva M.S. Formation hetero-phase cryo-gels and foam-kriogels based on an aqueous solution of polyvinyl alcohol and regulation of their properties [Formirovanie geterofaznyh kriogeley i penokriogeley na osnove vodnogo rastvora polivinilovogo spirta i regu-lirovanie ih svoistv]: abstract diss. ... cand. chemical. sciences. Tomsk, 2013. 143 p.

10. Yarmolinsky A.I. Regulation of water and thermal regime of roads in a monsoon climate [Regu-lirovanie vodno-teplovogo rezhima avtomobilnyh dorog v usloviyah mussonnogo klimata]: abstract diss. ... dr. tehn. sciences. Moscow: MADI, 1995. 42 p.

Коротко об авторах _

Клочков Я.В., аспирант, Забайкальский институт железнодорожного транспорта, г. Чита, Россия klochkov.zabirt@mail.ru

Научные интересы: строительные материалы, математическое моделирование, термодинамика, механика грунтов, технические науки

_Briefly about the authors

Ya. Klochkov, postgraduate, Transbaikal Institute of Railway Transport, Chita, Russia

Scientific interests: constructional material, mathematical modeling, thermodynamics, soil mechanics, engineering sciences

Сигачев Н.П., д-р техн. наук, профессор, г. Чита, Россия

Научные интересы: строительные материалы, математическое моделирование, термодинамика, механика грунтов, технические науки

N. Sigachev, doctor of technical sciences, professor, Chita, Russia

Scientific interests: constructional material, mathematical modeling, thermodynamics, soil mechanics, engineering sciences