Регулирование технологических процессов упрочнения оснований насыпей

РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ УПРОЧНЕНИЯ ОСНОВАНИЙ НАСЫПЕЙ

Бурукин А.Ю., аспирант ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС

Изложено содержание нового конструктивно-технологического решения проблемы возведения дорожного земляного полотна на слабых основаниях большой мощности. Рассмотрены результаты теоретических и экспериментальных исследований комплексной технологии. Показана эффективность технологического регулирования процессов упрочнения слабого основания.

Ключевые слова: земляное полотно; комплексная технология; слабые основания; технологическое регулирование.

PROCESS CONTROL STRENGTHENING BASES THE MOUND

Burukin A., the post-graduate student Moscow State University of Railway Engineering

A new structural and technological solution of the problem connected with roadbed construction on weak bases featured by large thickness is presented. The results of theoretical and experimental investigations of the complex technology are considered. The efficiency of the technological regulation of weak base strengthening processes is shown.

Keyword: roadbed; complex technology; weak bases; technological regulation.

Проблема обеспечения устойчивости земляных сооружений на слабом основании отличается непреходящей актуальностью в нашей стране и зарубежом, особенно при глубоком залегании водонасыщенных грунтов [1-4]. Опасные для эксплуатации деформации земляного полотна приводят к систематическим ограничениям движения транспортных средств, а также увеличивают затраты на содержание и ремонт дорог. В этой проблеме недостаточно изучена технологическая стадия. В ходе земляных работ, в зависимости от состава и интенсивности выполнения технологических процессов меняются физические свойства грунтов и, как следствие, граничные условия для конструирования насыпи. Немедленно возникает вопрос о ее проектной надежности.

Известны научные направления отечественных и зарубежных школ, многие годы занимающиеся решением этой проблемы [5-7]. Рассмотрим обоснованные и распространенные в практике конструктивно-технологические решения. Наиболее эффективным способом упрочнения слабого основания является армирование слабой толщи свайными конструкциями. Однако, применение этого способа при устройстве грунтовых свай, в т.ч. дрен имеет основной недостаток - деформации свай во времени и, как следствие, неконтролируемые осадки межсвайного пространства. Жесткие сваи повышают устойчивость конструкции насыпи, но ввиду различной несущей способности свай и грунтов в межсвайном пространстве возможны неравномерные осадки основания. Для повышения прочности основания расстояние между сваями уменьшают, увеличивают их диаметр или укладывают по подошве насыпи армирующий геосинтетический материал, что приводит к удорожанию конструкции и не исключает разрыв прослойки геотекстиля. В практике транспортного строительства используют взрывные, механические и гидромеханические методы удаления слабого основания, а также способ устройства насыпи с пригрузом. Эти способы являются наиболее трудоемкими и экологически небезопасными, они применяются при небольшой толще слабых грунтов.

Положительные результаты возведения земляного полотна дает разработанная в МИИТе и запатентованная интенсивная технология [8]. Она заключается в стабилизации слабого основания за счет устройства дренажных прорезей и уплотнения тяжелыми грунтовыми катками в течение расчетного периода времени. Однако, ее влияние происходит только в верхней зоне слабого основания.

Известен также опыт геотехнического строительства ФРГ и Италии по упрочнению слабого основания песчаными сваями в защитной оболочке из геосинтетического материала [1]. Однако, для обеспечения прочности грунтов межсвайного пространства, расстояние между осями свай снижают до 1,6м при диаметре геосвай 0,8м, на поверхность свайного поля укладывают в продольном и поперечном направлении георешетку, предусматривают дополнительно пригруз, что в совокупности приводит к увеличению стоимости и сроков строительства.

Анализ отечественных и зарубежных трудов по проблеме сооружения земляного полотна на слабых грунтах большой мощности показал необходимость разработки новых конструктивно-технологических решений. Это и определило направленность дальнейших теоретических и экспериментальных исследований: разрабо-

тать методы регулирования процессов глубинного уплотнения слабых оснований в строительный период.

Концепция технологического регулирования заключается в структурном преобразовании слабого основания - последовательно по стадиям, и управлении процессами комплексной технологии в ходе работ с контролем состояния слабых грунтов. На каждой стадии грунтовый массив основания уплотняют максимально допустимыми нагрузками, параметры и продолжительность которых изменяют в соответствии с состоянием несущей способности и стабильности оснований в строительный период.

Принципиальная схема технологического регулирования (рис. 1) имеет блочную структуру, объединяет три структурные стадии комплексной технологии и четыре функциональных технологических блока. В совокупности образуется технико-технологическая система, которая функционирует по принципу прямой - обратной связи между отдельными подсистемами для обеспечения эффективности производства работ.

Функционирование блоков комплексной технологии [4] включает направленное по стадиям улучшение характеристик слабых грунтов в ходе уплотнения основания за счет регулирования технологических режимов. Особенность заключается в организации прямых и обратных связей между блоками. Все стадии и блоки принципиальной схемы обеспечены контролем динамики изменения грунтовых и технических параметров при производстве работ и, особенно, при технологическом регулировании нагрузок. Сам процесс управления организационно-технологическими режимами предполагает обратную связь на основе контроля и наблюдений за нагрузками, деформациями, напряжениями и поровым давлением в грунтах в ходе строительства. Для этого каждая стадия включает мониторинг деформационных и прочностных характеристик, который должен быть обеспечен полевыми лабораториями.

На первой стадии комплексной технологии необходимо сформировать рабочую платформы [7] для работы оборудования (буровой машины или вибропогружателя) - при устройстве геосвай. Формирование рабочей платформы выполняется через устройство защитного песчаного слоя с уплотнением активной зоны слабого основания в интенсивном технологическом режиме [8], что в совокупности обеспечивает восприятие нагрузки от буровой машины / вибропогружателя и упрочнение слабых грунтов. Для работы катка в интенсивном технологическом режиме, отжатия и отвода воды на первой стадии перед отсыпкой защитного слоя устраивают дренажные канавы и прорези, укладывают в основание слой геотекстиля. Технологическую нагрузку (вес и амплитуду) катка следует принять в максимально допустимом по величине коэффициента безопасности Кб размере [10].

Технологическое регулирование предусматривает изменение параметров: общей нагрузки от катка, скорости движения и времени приложения нагрузки Т (для виброкатка - амплитуды А, вида виброуплотнения Я - обычный режим, осцилляция). Нагрузку вибрационного катка Р следует изменять в диапазоне от начальной -при работе вибровальца на низкой амплитуде, до конечной - при работе на высокой амплитуде. Современные катки позволяют принимать любые значения амплитуды в паспортном диапазоне с авто-

матизированным контролем процесса уплотнения и позиционирования. Таким образом, содержание технологического регулирования на первой стадии состоит в поддержании максимально допустимой для слабого основания технологической нагрузки под контролем коэффициента безопасности.

Важно отметить, что в процессе технологического регулирования по стадиям комплексной технологии одновременно изменяются и безопасная и допустимая нагрузки. Допустимая нагрузка Рт является основным контролируемым параметром, непосредственно влияющим на уплотнение и прочность слабых грунтов в основании. Ее предложено определять ежедневно на опытном участке до начала рабочей смены в соответствии с ежедневным режимом регулирования технологической нагрузки.

Вторая стадия предназначена для глубинного уплотнения слабых грунтов и состоит в устройстве свай в геотекстильной оболочке методом вибропогружения (вытеснения грунта) или бурения в обсадной трубе [1]. Она заключается в выборе параметров армирования основания геосваями и оценке их влияния на характеристики межсвайного пространства. Влияние свай при их устройстве заключается в появлении горизонтальных напряжений в межсвайном пространстве, которые приводят к уплотнению слабых грунтов за счет расширения геотекстильной оболочки. Геосвайная структура в наибольшей степени приемлема для технологического регулирования, поскольку позволяет целенаправленно управлять ее основными параметрами, к которым относятся: размещение геосвай (структура свайного поля); характеристики геотекстильной оболочки; методы свайных работ и параметры нагрузки при устройстве свай.

При оценке влияния строительных нагрузок на обеспечение прочности межсвайного пространства принимают начальную минимальную величину сближения геосвай т (определяется отношением диаметра свай й к расстоянию между ними 1), при которой

будет соблюдаться условие Кб 3 1 [3]. В связи с повышением плотности и улучшением прочностных характеристик (сцепления и угла внутреннего трения) в межсвайном пространстве, при устройстве

геосвай появляется возможность увеличения безопасной нагрузки на слабый грунт.

Для контроля и регулирования данного процесса в принципиальной схеме (рис. 1) также предусмотрен геотехнический мониторинг свайных работ на опытном участке с регистрацией горизонтальных напряжений, под действием которых происходит уплотнение и улучшение прочностных характеристик слабых грунтов. В ходе мониторинга предусмотрено сравнение методов бурения и вибропогружения свай. Виброметод погружения трубы-лидера эффективнее метода бурения за счет большей производительности и дополнительного уплотнения слабого грунта, которое пропорционально площади армирования, однако необходимо оценить возможность его применения по типу грунта и воздействию вибрации на близлежащие сооружения [2]. Изменение (повышение) плотности и прочностных характеристик грунтов межсвайного пространства при устройстве геосвай должно ежедневно регистрироваться полевой лабораторией. Первоначально принятые расстояние между геосваями и марка геотекстильной оболочки могут быть изменены с учетом повышения прочностных характеристик межсвайного пространства по результатам устройства геосвай на опытном участке.

Таким образом, возможность технологического регулирования параметров (расстояния между сваями, материала геооболочки и метода устройства геосвай) на второй стадии комплексной технологии позволяет перенести часть эксплуатационной нагрузки на геосваи, уменьшить ее влияние на слабые грунты основания, улучшить прочностные характеристики по всей глубине слабой толщи. Вместе с тем, проблемными, в смысле восприятия эксплуатационной нагрузки от будущей конструкции насыпи, остаются слабые грунты межсвайного пространства.

Третья стадия предназначена для устройства георостверка, она включает укладку геотекстильной прослойки над геосваями, устройство защитного слоя из песка и виброуплотнение в режиме интенсивной технологии. Методы технологического регулирования на третьей стадии заключаются в выборе параметров геополотна и режимов уплотнения для формирования георостверка, обеспечивающего распределение эксплуатационной нагрузки на сваи и раз-

Рис. 1. Принципиальная схема технологического регулирования процессов глубинного уплотнения основания земляного полотна: Не - глубина слабого слоя, - влажность, Е - модуль деформации, с - сцепление; ^ - угол внутреннего трения, 1ь - показатель

текучести; Рк, Рм -нагрузка от катка и буровой машины; А - амплитуда вибрации; R- вид виброуплотнения, КП - бортовой контроль плотности; п, V - число проходов и скорость катка; ^ , (]?р - текущее и допустимое значение прироста осадки в активной зоне;

Рг - горизонтальные напряжения; Т- время нагружения; Рп - поровое давление; Кб, Куст -коэффициенты безопасности основания и устойчивости насыпи; D, Ь - диаметр и расстояние между геосваями; Нз -толщина защитного слоя; Огт , Jгт, О L - прочность на растяжение в поперечном/продольном направлении и относительное удлинение геотекстиля.

Рис. 2. Изменение безопасной нагрузки Рб на грунт по глубине Н слабого основания по стадиям комплексной технологии: 1 - исходные значения Р  2 -после применения первой стадии ; 3 -после применения второй стадии ; 4 -после применения третьей стадии

грузку межсвайного пространства до допустимого по коэффициенту безопасности значения.

Геотекстильный материал для ростверка подбирают в зависимости от требуемой прочности на растяжение в продольном направлении и относительного удлинения геотекстиля под эксплуатационной нагрузкой [9]. После устройства геотекстильной прослойки и защитного слоя предусмотрено уплотнение геосвайного поля в режиме интенсивной технологии. Устройство георостверка позволяет уменьшить напряжения в межсвайном пространстве за счет перераспределения нагрузки на геосваи и сократить осадку слабых грунтов под эксплуатационной нагрузкой.

Третья стадия комплексной технологии завершается проверкой условий устойчивости насыпи и стабильности слабого основания под эксплуатационной нагрузкой.

С целью численного определения влияния технологических параметров на повышение плотности и прочностных характеристик слабых грунтов по стадиям комплексной технологии были проведены опытные расчеты на ПК 3482+50 участка проектирования земляного полотна новой железнодорожной линии Кызыл-Кураги-но (км. 345 - км. 398) (насыпь высотой 7,51м расположенная на 5-ти метровой толще текучепластичного суглинка, с значением коэффициента безопасности Кб на поверхности основания 0,21).

Расчеты на первой стадии комплексной технологии, при формировании рабочей платформы для въезда оборудования Liebherr LRB 255, показали возможность увеличения безопасной нагрузки на грунт в 1,27 раза, с достижением в активной зоне 31,8% осадки от конечной под эксплуатационной нагрузкой, за 5 дней интенсивного уплотнения основания катком Dynapac CA 2500D.

Расчеты параметров второй стадии комплексной технологии по устройству свай в геотекстильной оболочке Ког1ех Tube 100/300, с применением метода вибропогружения трубы-лидера, показали возможность повышения плотности и прочностных характеристик грунтов межсвайного пространства в размере достаточном для заданного коэффициента безопасности под эксплуатационной нагрузкой. Вместе с тем, устройство геосвай методом бурения не обеспечило стабильность слабого грунта в межсвайном пространстве (Кб=0,69), для повышения прочности основания была применена третья стадия комплексной технологии с устройством георостверка (геотекстиль Stabilenca плотностью 605 г/м2). На рисунке 2 представлена динамика изменения безопасной нагрузки Рб на слабый грунт после применения каждой стадии комплексной технологии.

Оценка состояния всей толщи (5 м) слабого основания под эксплуатационной нагрузкой была выполнена в программном продукте «Prust 2006». Применение комплексной технологии позволило повысить коэффициент безопасности слабого основания до требуемых значений под эксплуатационными нагрузками (минимальное значение Кб =1,08). Контрольный расчет устойчивости откосов проектного поперечника насыпи высотой 7,51м с текучепластичным суглинком толщиной 5м в основании, проведенный с использованием программного продукта GEOSlop (с учетом требований СТНЦ 01-95 и нормированных коэффициентов надежности [11]), показал достаточное значение коэффициента устойчивости - 1,43.

При разработке и внедрении новой технологии необходимо проведение эксперимента, позволяющего проверить ее практическую полезность в условиях максимально приближенных к эксплуатационным. Экспериментальная проверка была организована в качестве самостоятельного этапа в составе комплексного стендового испытания свай в геотекстильной оболочке, проведенного научно-исследовательским институтом мостов и дефектоскопии ФАЖТ (НИИ Мостов) по заданию и программе ФСК «Мостгео-центр». Эксперимент был проведен по специальному разделу общей программы на стенде, моделирующем характеристики свайного поля из пятнадцати геосвай под нагрузкой. Испытательная нагрузка от четырех домкратов передавалась на свайное поле и окружающий его грунт через жесткий штамп. Программой испытаний был предусмотрен диапазон нагрузок и разгрузок свай, меж-свайной зоны и всего основания, соответствующий заданным технологическим режимам поэтапного уплотнения основания с регистрацией напряжений датчиками.

В соответствии со структурными стадиями комплексной технологии эксперимент был разбит на два этапа. Первый этап включал испытания геосвайного поля под постоянной нагрузкой. Геосваи выдержали максимальную нагрузку, превышающую заданный основной программой уровень. Второй этап соответствовал трем стадиям комплексной технологии, в ходе которых межсвайное пространство (суглинок текучепластичной консистенции) испытывалось технологическими режимами медленного нагружения, с переменной возрастающей нагрузкой. Периодичность приложения нагрузки была принята 12 часов. После каждого цикла производилось измерение осадок, напряжений и объема отжатой воды. Эксперимент продолжался до достижения прироста осадки между измерениями менее 1 мм.

Анализ экспериментальных данных подтвердил результаты опытных расчетов. Применение комплексной технологии позволило: снизить влажность за счет отжатия воды в прорези на 15%, повысить угол внутреннего трения на 49% и сцепление грунтов на 43%; уменьшить напряжения, действующие на слабый грунт меж-свайного пространства, на 20%.

Полученные результаты повышения стабильности слабого основания являются свидетельством технологического эффекта, состоящего в возможности регулирования строительных нагрузок и воздействий для повышения прочностных и деформационных характеристик грунтов до значений, обеспечивающих безопасность слабого основания во время эксплуатации. Опытными расчетами установлено, что уплотнение грунтов и устройство георостверка позволяет перейти от площади армирования основания геосваями 16% к площади армирования 10%, уменьшить в результате количество свай при обеспечении достаточного коэффициента безопасности грунтов основания. Уменьшение армирования слабого основания геосваями позволяет снизить затраты на их устройство.

Литература:

1. Kempfert H.-G., Stadel M., Zaeske D. Berechnung von geokunststoffbewehrten Tragschichten ьber Pfahlelementen / Bautechnik. Vol 74. № 12. 2006. pp. 275-281.

2. Yin J.H. Modeling geosynthetic-reinforced granular fills over soft soil // Geosynthetics International, Vol. 4 (2), 1997. pp. 169-185.

3. Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах (к СНиП 2.05.02-85). М.: Стройиздат, 1989.

4. Способ упрочнения слабого природного основания для возведения дорожного земляного полотна: патент на изобретение 2449075 РФ: МПК Е01С 3/04 // Луцкий С.Я. Шмелев В.А., Бурукин А.Ю. - № 2010148128/03; заявл. 26.11.2010; опубл.: 27.04.2012. - Бюл. № 12. 2 с.

5. Луцкий С.Я., Долгов Д.В., Юдов Ю.Н. Опыт применения интенсивной технологии строительства земляных сооружений // Транспортное строительство. 2005. № 5. С. 14 - 18.

6. СП 22.13330.2011 Основания зданий и сооружений.

7. Строительство земляного полотна для автомобильных дорог. Часть 5 Возведение земляного полотна на слабых грунтах. СТО НОС-ТРОЙ 2.25.27-2011: стандарт организации. М.: БСТ, 2012. 24 с.

8. Рекомендации по интенсивной технологии и мониторингу строительства земляных сооружений на слабых основаниях // под ред. С.Я. Луцкого. М.: МИИТ, 2005. 96 с.

9. Проектирование, строительство, эксплуатация автомобильных дорог и аэродромов // Труды Союздорнии. Вып. 205. М., 2005.

10. Цытович Н.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1983. 288 с.

11. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М.: Транспорт, 1987. 479 с.

НАПРАВЛЕНИЯ ПОСТКРИЗИСНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО СЕКТОРА ЭКОНОМИКИ РОССИИ

Евстифиев С.В., соискатель Международной академии оценки и консалтинга

Рассмотрены направления промышленного развития экономики России, сформулированы основные аспекты посткризисного развития в среднесрочном периоде.

Ключевые слова: промышленность, кризис, экономика.

AREAS OF POST-CRISIS RECOVERY THE INDUSTRIAL SECTOR OF THE RUSSIAN ECONOMY

Evstifeev S., the applicant MAOK

At this article, the author reviewed the scientific direction of industrial development of the Russian economy, made an attempt to formulate the basic aspects of the post-crisis development in the medium term.

Keywords: industry, crisis, economy.

Российская промышленность на сегодняшний день находится в состоянии стагнации. Данные статистики свидетельствуют, что индекс промышленного оптимизма все еще снижается и находится ниже нулевого уровня1. Кроме того, индекс прогнозов не сулит улучшение ситуации в российской промышленности в ближайшее время.

Обострение проблем еврозоны, публичные заявления членов правительства о разработке пакета антикризисных мер - все это заставляет готовиться к новой волне кризиса и российскую промышленность.

Реакция предприятий на снижение спроса, показал очередной этап кризисного мониторинга настроений промышленности.

Массовой реакцией предприятий на вторую волну кризиса станет снижение зарплат и неполная рабочая неделя. Об этом заявили 63% предприятий летом 2012 г. и 68% - осенью 2011 г. (другие антикризисные меры явно уступают по популярности возможной экономии предприятий на рабочей силе). И тут у промышленности явно есть возможность реализовать заявленную стратегию. По данным опросов, в середине 2012 г. 2/3 предприятий платят своим работникам «нормальную» (правда, по мнению руководства) заработную плату. Этот результат на 30 п.п. превосходит кризисный минимум показателя, зарегистрированный во II квартале 2009 г. Самые массовые сокращения зарплат будут происходить в машиностроении (об этом заявили 75% предприятий отрасли летом 2012 г. и 78% - осенью 2011 г.). На втором месте по итогам двух опросов - промышленность строительных материалов (62 и 86% соответственно), которая в начале лета переживает оживление и поэтому скорректировала свои планы в этой сфере под влиянием сезонного фактора. Третье место занимает химпром, который в 2011 г. планировал сокращение зарплат и переход на неполную рабочую неделю на 67% предприятий, в 2012 г. - на 62%. Далее идут металлургия и легпром со средним уровнем подобных планов в 61-62%. Наименее распространено снижение зарплат при наступлении второй волны кризиса будут в леспроме (о таких планах заявили 46 и 44% предприятий соответственно) и в пищепроме (48 и 39% соответственно). В целом снижение зарплат и неполная рабочая неделя будут наиболее популярной реакцией в большинстве отраслей российской промышленности. Только в черной металлургии эти меры уступают первое место снижению выпуска, а в пищепроме - сокращению издержек.

Другие меры (анти)кризисной политики в области занятости предприятия планируют использовать значительно реже. Только четверть промышленных предприятий, по данным опроса 2012 г., предполагают увольнять работников. В общем рейтинге антикризисных мер такие действия занимают 5-е место в планах 2012 г. и 6-е - в планах 2011 г. Видимо, опасения кадрового дефицита по-прежнему довлеют над российской промышленностью.

Отправка работников в неоплачиваемые отпуска тоже возможна примерно на четверти промышленных предприятий (осенью 2011 г. к ней планировала прибегнуть почти треть предприятий). Наиболее распространена такая мера будет в легкой промышленности, где ее включили в свой антикризисный пакет 34% предприятий сейчас и 36% - осенью 2011 г. В большинстве других отраслей такие отпуска будут практиковаться на 21-27% предприятий, и только пищепром и леспром будут использовать их в 15 и 11% случаев.

Второе место в общем рейтинге антикризисных мер российской промышленности занимает сокращение издержек. В 2012 г. к подобным классическим действиям готовы были прибегнуть 51% предприятий, осенью 2011 г. таких было 46%. Заметим, что эта мера оказалась единственной, упоминание которой незначительно, но возросло в 2012 г. по сравнению с 2011 г. А в черной металлургии (с 69% упоминаний), в химпроме (с 64%), в пищепроме (с 54%) и в леспроме (с 51%) снижение издержек занимает первое место по результатам опроса 2012 г.

И только на третье место российская промышленность поставила снижение выпуска, по которому правительство и аналитики будут судить о развертывании кризиса. К этой мере готовы прибегнуть только 43% предприятий, хотя осенью 2011 г. подобные планы были у 54% заводов, что обеспечило тогда этой антикризисной мере второе место.

Самое массовое сокращение выпуска произойдет в черной металлургии (об этом заяви ли 56% предприятий отрасли сейчас и 89% - осенью 2011 г.), в стройиндустрии (55 и 69%), в химпроме (51 и 56%) и в машиностроении (47 и 63%).

Четвертой по популярности в промышленности антикризисной мерой станет активизация маркетинга, поиск покупателей и рынков сбыта. К ней готовы прибегнуть 39% предприятий в 2012 г. и были готовы использовать 44% осенью 2011 г. Эти классические шаги, скорее всего, встретят жесткое сопротивление со стороны других производителей, чьи рынки окажутся под угрозой вторже-