CC BY
46
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 (19,4 х 1,06 + 11 х 5,14)
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 (ширина колеи в РФ 1520 мм или 1,52 м)
Ьвсп 3,6 ширина нагрузки от верхнего строения пути (из проекта)
-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 (displacements scaled up 100,00*10 * times)
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
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 (Шахунянц)
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» (утв. письмом Министерства транспортного строительства от 13 марта 1989 г. N АВ-110)
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.
