Конструкция для усиления присыпаемого земляного полотна дополнительного пути на реконструируемых участках железнодорожных линий

КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ПРИСЫПАЕМОГО ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПУТИ НА РЕКОНСТРУИРУЕМЫХ УЧАСТКАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ЛИНИЙ

© Тукмакова О.В.*, Жданова С.М.*

Дальневосточный государственный университет путей сообщения,

г. Хабаровск

В статье приведена методика теоретического обоснования целесообразности и технико-экономической эффективности предлагаемого конструктивно-технологического решения по усилению земляного полотна при сооружении второго пути на слабых и вечномерзлых грунтах по второму принципу строительства.

Ключевые слова второй путь, усиление, вечномерзлые грунты.

В настоящее время, решая проблемы проектирования, строительства и эксплуатации сооружений на вечномерзлых грунтах, имеет место дефицит методик теоретического обоснования целесообразности и технико-экономической эффективности конструктивно-технологических решений по усилению земляного полотна.

Натурными исследованиями установлено, что при сооружении земляного полотна второго пути на слабом основании по второму принципу, в том числе на протаивающих вечномерзлых грунтах с сформировавшимся температурным режимом в основании первого пути, грунты присыпки второго пути практически не оказывают влияния на стабильность несущей способности первого пути. При этом со стороны присыпки второго пути будет протекать неравномерный в поперечном профиле осадочный процесс, который длится продолжительный период, что будет негативно сказываться на стабильности второго пути. Это связано с тем, что в результате дополнительной статической нагрузки и отепляющего влияния грунтов присыпаемого второго пути, откос первого пути будет «оседать», образуя глубокие трещины отрыва на границе с земляным полотном первого пути и перекосы в поперечном направлении в пределах основной площадки земляного полотна второго пути, что отрицательно влияет на целостность общей конструкции земляного полотна и, как следствие, на бесперебойность и безопасность движения поездов.

Для компенсации осадок, длящихся десятилетиями, и выправки пути требуется балластного материала иногда в большем объеме, чем сама насыпь. Кроме того, затраты труда на содержание таких участков в надежном эксплуатационном состоянии превосходят во много раз нормативные [1].

* Аспирант кафедры «Железнодорожный путь, изыскания и проектирование железных дорог».

* Профессор кафедры «Строительство», доктор технических наук.

Рис. 1. Армогрунтовая конструкция усиления насыпи второго пути и последовательность ее осуществления: а) 1 - насыпь первого существующего стабилизированного пути; 2 - откос существующей насыпи со стороны возводимой насыпи второго пути; 3 - нарезка «ступеней» для устройства армирующей конструкции; б) 1 - закрепление анкеров в откосной части насыпи; в) 1 - укладка и крепление к анкерам георешетки; г) 1 - укладка геосинтетического материала поверх георешетки; 2 - очертания возводимого второго пути

Одним из путей обеспечения устойчивости является разработка и применение таких конструкций, которые бы обеспечивали совместную работу второго пути с первым путем.

Традиционно для компенсации осадок земляного полотна используют метод досыпки его балластом. Эти меры носят не единовременный характер и требуют больших материальных затрат в процессе длительной эксплуатации. Поэтому решение данной проблемы с помощью армирующих элементов, которые объединят массив насыпи первого уже относительно стабилизированного пути с массивом насыпи второго нестабильного пути, позволит обеспечить работу сооружения как единого целого.

Предлагается конструкция, предназначенная для стабилизации основной площадки насыпи первого и второго пути за счет сохранения целостности массива земляного полотна и исключения осадки грунтов насыпи в слабые протаивающие грунты основания (рис. 1).

Для обеспечения целостности и совместной работы двухпутной насыпи в откосе насыпи первого пути (со стороны отсыпки второго пути) устанавливаются армирующие элементы в два ряда. Первый ряд анкеров устанавливается ниже основной площадки земляного полотна на 1/3 высоты насыпи. Второй ряд - на 2/3 высоты насыпи от основной площадки с шагом в 2-3 м. Анкеры устанавливаются наклонно плоскости откоса. К анкерам крепится в два слоя: георешетка и геосинтетический материал (рис. 2). Для нормативного уплотнения грунтов насыпи и безопасности эксплуатации первого пути вначале устраивается нижний армирующий ряд, затем верхний.

2

Рис. 2. Элементы армогрунтовой конструкции: 1 - анкеры; 2 - геосинтетический материал (СНМ); 3 - георешетка, уложенная под СНМ

Таким образом, данная задача по стабилизации основной площадки и сохранению целостности массива насыпи решается за счет устранения осадок от статического веса насыпи второго пути.

Как отмечено выше, в процессе натурных исследований установлено, что при отсыпке второго пути по второму принципу возникают деформации в виде осадки земляного полотна, что приводит к нарушению геометрии самого земляного полотна и верхнего строения пути в плане и профиле (рис. 3).

Рис. 3. Поперечный профиль земляного полотна железнодорожной линии Известковая - Ургал (1953 г.) с возведенным земляным полотном II пути (1985 г.) и график осадок земляного полотна с 1989 г. по 1997 г.

Принцип работы конструкции заключается в следующем: под действием увеличенного статического веса откосная часть первого пути и насыпь второго пути будет оседать в слабые грунты основания, при этом поверхностью смещения является откосная часть первого пути и одновременно основная площадка второго пути. Препятствием на пути данного процесса является заанкеренная георешетка, которая на своей поверхности удерживает грунт насыпи и смещает вектор силы тяжести в сторону стабилизированной насыпи. Нижний ряд анкеров и георешетки создает с верхним рядом георешетки упрочненный слой, грунт в котором лишается возможности перемещений в пространстве и представляет собой стабильную прослойку. Данная прослойка в свою очередь препятствует выпору анкеров верхнего ряда из откоса и их уположение в теле насыпи под действием статического веса, сил трения и сцепления грунта с армирующей конструкцией.

Определение осадки оттаивающего слоя мерзлого грунта по методу проф. Н.А. Цытовича [2].

Осадку за определенный период ( рассчитываем по формулам:

где = А  И, - осадка оттаивания, при этом коэффициент оттаивания А, согласно [3], следует устанавливать по результатам полевых испытаний мерзлых грунтов по методике ГОСТ 25253-78. В данном случае рассматриваются параметры, полученные в ходе многолетнего мониторинга земляного полотна восточного участка Байкало-Амурской магистрали НИЛ «Основания и фундаменты» ДВГУПС для участка линии Известковая - Ургал; кг - глубина оттаивания, соответствующая времени

И = ,

где Д - тепловой коэффициент для расчетного времени t, вычисляемый с помощью теплотехнического расчета [2];

- осадка уплотнения грунта в процессе оттаивания от действия внешней нагрузки р и собственного веса грунта у'^;

г * У  ^

X  И,  Р + ^2 —

где у' - объемный вес грунта с учетом взвешивающего действия воды; а - коэффициент относительного уплотнения грунта при оттаивании; р - внешняя нагрузка, для данного случая принимаем р = 27 Т/м2; Х1 и Х2 - сложные функции, зависящие от параметра:

_ Д

где ст - средний по глубине оттаявшего слоя коэффициент консолидации, определяемый выражением:

к_

У В  аш

уВ - объемный вес воды, уВ = 0,9832 Т/м3;

кт - средний по величине коэффициент фильтрации грунта, равный:

У И

к=^^

У к

где к1 - мощность отдельных слоев грунта; ат - средняя величина коэффициента относительного уплотнения при оттаивании, равная в случае пространственной задачи:

^ = ЯЦ +

— "

2И.

где - величина суммарного коэффициента относительной сжимаемости для отдельных выделенных слоев грунта (определяется опытом);

- расстояние до уровня, соответствующего глубине 2Иэ, до середины каждого рассматриваемого слоя мерзлого грунта.

Таким образом, осадка оттаявшего за один год слоя мерзлого грунта определяется и выражения:

-ли -{ и Г'- К

^год — А  К + а 1*1 • К  Р +

Для удобства, все рассчитанные данные сведены в таблицу 1.

Таблица 1

Данные к вычислению осадки оттаивающего мерзлого грунта на двухпутном участке железнодорожной линии Известковая - Ургал

А Иг, м а, м2 /Т р, Т/м2 у', Т/м3 £(, м

1-й год 0,006 2,1 0,002 0,93 0,90 0, 122

2-й год 0,007 2,2 0,003 0,93 0,90 0,188

3-й год 0,008 2,3 0,004 0,885 0,81 27 0,9832 0,247

4-й год 0,011 2,6 0,007 0,885 0,81 0,485

5-й год 0,013 2,8 0,009 0,885 0,81 0,667

Сравнение вычисленных теоретических осадок земляного полотна с данными, полученными в результате исследований, показывает, что среднее расхождение между ними Дср = 7,62 %. Это объясняется сложными и многочисленными процессами, происходящими с течением времени в грунтовом массиве сооружения, под влиянием которых наблюдается деструктуризация грунтов. Кроме того, из графика осадок насыпи (рис. 3) видно, что наибольшие деформации со стороны второго пути происходят в зоне соприкосновения откоса первого пути с левой призмой возводимого пути. Проседание массива насыпи второго пути в чашу протаивания исключается за счет конструктивного мероприятия, которое армирует и объединяет массивы существующей и возводимой насыпей, заставляя их работать как единое целое, что, в свою очередь, приводит к исключению или минимальному развитию осадки возводимой насыпи.

Таким образом, данная методика, с определенной долей вероятности может быть использована для приближенных расчетов.

Список литературы:

1. Жданова С.М. Патент на изобретение № 2006552. Земляное сооружение на слабом основании / С.М. Жданова. - Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 30 января 1994 г. Действует с 30 января 1994 г. // Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели». - 1994.

2. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов / Н.А. Цытович. - М.: Высшая школа, 1973. - 248 с.

3. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. - Взамен СНиП П-18-76; введ. 1990-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1990. - 56 с.

4. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. - Взамен ГОСТ 25100-95; введ. 2013-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2013. - 60 с.