АРМИРОВАНИЕ ОСНОВНОЙ ПЛОЩАДКИ ВЫСОКОЙ НАСЫПИ С ИНЪЕКТИРОВАНИЕМ ТВЕРДЕЮЩИХ РАСТВОРОВ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 625.122

А. Л. Ланис

Армирование основной площадки высокой насыпи с инъектированием твердеющих растворов

Поступила 30.05.2019

Рецензирование 27.06.2019 Принята к печати 28.06.2019

Долгосрочная программа развития ОАО «РЖД» до 2025 года, утвержденная распоряжением Правительства РФ от 19.03.2019 № 466-р, предусматривает увеличение объемов перевозки с использованием существующей инфраструктуры, что возможно за счет расширения полигона тяжеловесных, длинносостав-ных поездов, которое окажет непосредственное влияние на состояние железнодорожного пути. Одним из последствий роста интенсивности воздействия на высокие эксплуатируемые насыпи являются деформации основной площадки. Обеспечение надежности земляного полотна в таких условиях становится актуальной задачей, которая может быть решена путем его своевременного усиления. Для эксплуатируемых высоких насыпей эффективными с экономической точки зрения являются методы усиления, позволяющие выполнять работы без ограничения или же с минимальным ограничением движения. К таким методам можно отнести усиление инъектированием твердеющих растворов, основанное на образовании в грунтовом массиве армоэлементов из затвердевшего раствора с уплотненными зонами вокруг них. Оценка зон деформирования и определение оптимальных объемов усиления высоких насыпей могут быть выполнены с использованием численного моделирования, но для этого необходимо разработать и обосновать соответствующие модели.

Для обеспечения достоверности результатов моделирования разработаны модели усиленных массивов, максимально полно отражающие внутренние процессы их работы. При численном моделировании выполнялось исследование работы моделей армированного массива как фрагментов земляного полотна и основания, воспринимающих поездные нагрузки. С опорой на существующие результаты исследований в области армирования грунтов в моделях армирование формировалось в виде структурных элементов с известными механическими характеристиками.

В статье выполнена оценка зон армирования эксплуатируемой высокой насыпи при высокой деформа-тивности основной площадки, разработана и обоснована модель усиления инъектированием твердеющих растворов, определена зависимость деформационных характеристик усиленного массива от параметров армирования.

Ключевые слова: высокие эксплуатируемые насыпи, земляное полотно, усиление грунтов, армирование с инъектированием, напорное инъектирование.

Земляное полотно является одним из основных элементов железнодорожного пути - его фундаментом. Вместе с тем на значительной части железных дорог страны земляное полотно было построено уже более 100 лет назад по техническим нормам, не отвечающим современным нагрузкам и скоростям движения, а потому в текущих условиях в ряде случаев требует усиления. Так, в настоящее время, по статистическим данным, обобщенным Центром ИССО ОАО «РЖД» [1], протяженность дефектного и деформирующегося земляного полотна при современных условиях эксплуатации составляет около 9 % общей протяженности. Одной из главных причин, вызывающих необходимость усиления земляного полотна при росте интенсивности воздействия, является необеспечение его надежности, которое в первую очередь вызвано дефектами и деформациями основной площадки [2].

Данные деформации связаны во многом с недостаточными прочностными и деформационными свойствами грунтов, слагающих земляное полотно, что дополнительно усугубляется балластными шлейфами на откосах и балластными углублениями в теле насыпей [3]. Для эксплуатируемых высоких насыпей балластные углубления широко распространены и в каждом случае требуют индивидуального учета из-за различных физико-механических характеристик и очертаний в земляном полотне [4].

При проектировании усиления грунтов земляного полотна нужно выполнить оценку зон необходимого армирования, определить их расположение с учетом напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтового массива [5]. Для установления возможности численного моделирования деформирования эксплуатируемой высокой насыпи методом конечных элементов (МКЭ) следует разрабо-

тать соответствующие модели грунтового массива.

Анализ результатов исследований по определению особенностей работы грунтов земляного полотна позволил выявить, что вследствие многократного нагружения основной площадки поездной нагрузкой в земляном полотне будут возникать преимущественно упругие деформации [6]. При моделировании грунтовой среды тела насыпи в программных комплексах, в случае работы грунтов до стадии пластических деформаций, целесообразно использовать модели поведения грунта, основывающиеся на идеальной упругопласти-ческой модели Мора - Кулона [7].

При моделировании эксплуатируемого земляного полотна необходимо учитывать, что наибольшие напряжения от временной нагрузки возникают в рабочей зоне под основной площадкой земляного полотна - это верхняя часть земляного полотна толщиной до 3 м [8]. Именно в пределах рабочей зоны при увеличении интенсивности воздействия напряжения могут быть превышены предельные значения [9].

Общий вид модели эксплуатируемой высокой насыпи, отсыпанной на грунтовом основании, представлен на рис. 1. Выделены следующие геометрические параметры модели насыпи, которые уточняются на стадиях обследования и предпроектных работ:

- высота насыпи Н;

- ширина основной площадки Ь;

- мощность рабочей зоны земляного полотна г;

- заложение откосов т.

Для определения мощности рабочей зоны под основной площадкой рекомендуется экспериментально-теоретический метод расчета динамических напряжений профессора Г. Г. Коншина [10]:

пред

= 2,302

Ы°0-р -

1-р

(1)

где оо-р - напряжения на основной площадке в подрельсовом сечении на глубине Но от подошвы шпалы; Ар - коэффициент затухания, зависящий от скорости подвижного состава.

В соответствии с результатами инженерно-геологического обследования грунтовая среда насыпи моделируется многослойной, каждому слою присваиваются соответствующие физико-механические характеристики.

Величины прикладываемых к основной площадке постоянных и временных нагрузок являются нормативными и принимаются согласно СТН Ц-01-95 и СП 32-104-98. Эпюра временной нагрузки (от подвижного состава) в модели принимается либо трапецеидальной формы под каждый путь, либо прямоугольной формы, действующей по длине шпалы. Эпюра постоянной нагрузки от веса верхнего строения пути принимается прямоугольной формы, действующей на основной площадке.

Рис. 1. Модель эксплуатируемой высокой насыпи

Главным критерием исследуемой модели является деформативность, которая оценивается после приложения нагрузок, постоянных и временных, и зависит от параметров грунтовой среды. Деформативность модели напрямую зависит от модуля упругости грунтовой среды и прикладываемых нагрузок и оценивается величиной упругих и пластических деформаций в контрольных точках.

В соответствии с вышесказанным наиболее распространенной причиной деформаций основной площадки земляного полотна является образование в процессе эксплуатации балластных углублений, дальнейшее развитие которых усугубляется природно-климатическими факторами и интенсивным движением. Согласно результатам исследований, представленных в работе [4], при моделировании земляного полотна с балластным углублением целесообразно принять допущение об образовании под углублением ослабленного слоя.

Оценка НДС основной площадки для выявления зон армирования выполнена с использованием численного моделирования эксплуатируемой высокой двухпутной железнодорожной насыпи. Рассмотрены два расчетных случая: насыпь без балластного углубле-

ния (рис. 2, а) и насыпь, в пределах рабочей зоны которой присутствует балластное углубление (см. рис. 2, б).

Оценка НДС насыпи произведена с учетом нагружения модели постоянной нагрузкой от собственного веса верхнего строения пути (ВСП) (20 кПа) и временной нагрузкой от подвижного состава (90 кПа). Для расчетной схемы без балластного углубления (см. рис. 2, б) критическими являются нормальные напряжения сжатия вдоль вертикальной оси (главным образом от поездной нагрузки), вызывающие осадки основной площадки земляного полотна. Общий вид напряженного состояния эксплуатируемой насыпи без балластных углублений представлен на рис. 3. Как следует из рисунка, перераспределение напряжений происходит в пределах рабочей зоны высокой насыпи на глубине 2,5.. .3,0 м, что в целом соответствует данным по зависимости (1). Ниже границ рабочей зоны наблюдается интенсивное затухание сжимающих напряжений от временной (поездной) нагрузки.

Соответственно, в расчетной схеме без балластного углубления для снижения деформаций основной площадки высокой насыпи целесообразно проводить армирование в пре-

а)

б)

Рис. 2. Расчетная схема эксплуатируемой высокой насыпи: а - без балластного углубления; б - с балластным углублением и ослабленной зоной

23.4% 20.3% 13.6% 10.0% 0.0% 5.0% 4.1% 3.0% I 1.9% 1.0% 1.65407е+001 -2.01894е+00с -2.0573бе+001 -3.91383е+001 -5.76980е+001 -7.62577м10О1 1-9.48174е+001

7.260?Се+000 -1.12908е+001 -2.98505е4-001 -4.04101е+ОО1 -6.69770е+001 -8.55375е+001

Рис. 3. Поперечное сечение насыпи с распределением нормальных вертикальных напряжений

от временной нагрузки

делах рабочей зоны, где возникают сжимающие усилия. Элементы армирования должны работать на сжатие и обладать большей, в сравнении с грунтом тела насыпи, жесткостью (модулем упругости).

Результаты моделирования по расчетной схеме, приведенной на рис. 2, б, позволили сделать вывод, что наличие балластных углублений в пределах рабочей зоны способствует развитию касательных напряжений от временной нагрузки, а это приводит к возникновению сдвиговых деформаций, прежде всего в нижней части балластного углубления. О развитии областей пластических деформаций в высокой насыпи с балластным углублением можно судить по соответствующей картине распределения деформаций (рис. 4).

Наличие балластных углублений способствует формированию зон пластических деформаций и увеличению глубины затухания нормальных сжимающих напряжений от действия временной нагрузки. Все это оказывает существенное влияние на деформирование основной площадки. Решение этой проблемы возможно

путем инъектирования твердеющего раствора в ослабленные зоны земляного полотна.

Снижения деформативности основной площадки эксплуатируемой насыпи можно добиться армированием рабочей зоны сооружения с напорным инъектированием твердеющих растворов. В соответствии с выполненными исследованиями разработана модель эксплуатируемой высокой насыпи, армированной напорным инъектированием твердеющего раствора (рис. 5). Армоэлементы из затвердевшего раствора воспринимают преимущественно сжимающие усилия. Объемы усиления определяются исходя из требований по обеспечению нормативного состояния сооружения.

Выполненные автором исследования [5, 11] позволяют сформировать основные элементы для разработанной модели, к которым относятся (см. рис. 5):

1 - грунтовый массив (тело насыпи) с исходными значениями физико-механических характеристик;

2 - армоэлементы, представленные массивами затвердевшего раствора, которые

Рис. 4. Картина распределения областей пластических деформаций в высокой насыпи

с балластным углублением

Рис. 5. Модель эксплуатируемой высокой насыпи с усилением рабочей зоны напорным инъектированием твердеющего раствора

образуются по оси погружаемого инъектора; различные углы погружения инъекторов объясняются необходимостью выполнения работ вне габарита приближения строения;

3 - зоны уплотненного грунта вокруг ар-моэлементов, образующиеся при инвертировании твердеющего раствора.

На основании опыта производства работ по армированию с инъектированием твердеющих растворов (технологические особенности погружения инъекторов, производство работ вне габарита приближения строения, инъекти-рование в пределах рабочей зоны, в которой возникают сжимающие напряжения от поездной нагрузки) в расчетном поперечном профиле представлено восемь армоэлементов. Инъектирование раствора в междупутье и с обочин выполняется только в нижней части рабочей зоны (см. рис. 5).

Степень уплотнения грунта при инъектиро-вании твердеющего раствора с увеличением расстояния до массива будет снижаться. Поэтому в модели представлено две зоны уплотненного грунта: 1) с максимальным уплотнением на расстоянии 20.30 см от затвердевшего раствора; 2) с умеренным уплотнением на расстоянии до 50.60 см от включения раствора.

Контроль деформативности основной площадки земляного полотна в соответствии с нормативными документами осуществляется по значению модуля упругости, определяемому путем нагружения грунтовых массивов

штампами. При штамповых испытаниях будет получено интегральное зачение модуля упругости. В дальнейшем при выполнении расчетов его необходимо задавать интегрально для всей рабочей зоны эксплуатируемой насыпи.

Кроме того, моделирование с использованием МКЭ на этапе проектирования не всегда представляется возможным, а при оценочных или предварительных расчетах является нецелесообразным. Таким образом, необходимо разработать упрощенную модель эксплуатируемого земляного полотна, усиленную напорным инъектированием твердеющих растворов, использование которой возможно на первоначальном этапе проектирования.

Упрощение разработанной модели возможно путем введения в нее эквивалентного грунтового слоя со значением модуля упругости, равным интегральному значению модуля упругости армированной рабочей зоны земляного полотна. В общем виде модель эксплуатируемой высокой насыпи, содержащая эквивалентный слой, представлена на рис. 6.

Целью исследования модели высокой насыпи, усиленной напорным инъектирова-нием твердеющих растворов, является определение закономерностей изменения модуля упругости эквивалентного слоя от параметров армирования и исходных свойств грунтов с использованием неполного многофакторного анализа по методу латинских квадратов. Моделирование выполнялось с различным соче-

Рис. 6. Упрощенная модель при усилении эксплуатируемой высокой насыпи, содержащая эквивалентный слой

танием трех факторов (относительного объема затвердевшего раствора еУ, модуля упругости затвердевшего раствора Ер-р, модуля упругости грунтов тела насыпи Егр), оказывающих влияние на деформационные характеристики армированного массива. В качестве функции отклика модели (рассчитываемой величины) принят модуль упругости усиленного массива (эквивалентного слоя).

Планирование исследования с последующей статистической обработкой данных, в том числе определение степени влияния параметров армирования при инъектировании на сжимаемость усиленного массива и, как следствие, на модуль упругости эквивалентного

слоя, реализовано в программном комплексе 8ТЛТКТ1СЛ 10.0.

В исследовании было смоделировано 25 расчетных схем разработанной модели с различным сочетанием факторов. Для каждой расчетной схемы моделировалась высокая насыпь с эквивалентным слоем. За критерий сопоставления принято значение упругой осадки основной площадки высокой насыпи S. Общий вид расчетных схем приведен на рис. 7.

Упругая осадка высокой насыпи определялась по эпюре вертикальных перемещений основной площадки земляного полотна (рис. 8).

Выполненные исследования позволили выявить характер деформирования высокой

Рис. 7. Расчетная схема модели: а - со сформированными включениями затвердевшего раствора и уплотненного грунта;

б - с эквивалентным слоем

Рис. 8. Эпюра упругой осадки основной площадки земляного полотна

насыпи (в уровне основной площадки) при различном сочетании параметров армирования и грунтовых условий, с подбором модуля упругости эквивалентного грунтового слоя для каждого сочетания этих параметров. Кроме того, было установлено, что эффективность усиления напрямую зависит от параметров армирования при напорном инъектирова-нии и грунтовых условий. Оценка влияния факторов, отражающих технологические параметры усиления и грунтовые условия, реализована по алгоритму, описанному в работе [12].

Статистическая обработка материалов численного моделирования позволила получить зависимость модуля упругости усиленного массива от рассматриваемых параметров армирования, для графического отображения результатов построены поверхности влияния (рис. 9).

На основании полученных данных определена функциональная зависимость изменения модуля упругости эквивалентного слоя (усиленного грунтового массива) от параметров армирования и грунтовых условий: Е = Л18Г + А2 Ер + Аз Е2р + + Егр (А4 +1) + А51И( Ер-р) + А6,

где Е - модуль упругости эквивалентного слоя (массива, усиленного напорным инъектирова-нием); А1, Лг, Аз, А4, А5, Аб - постоянные величины, определенные при статистической обработке материалов численного моделирования, А1 = 35,75, А2 = 0,0322, Аз = -0,353, А4 = 12,73, А5 = 3,557, Аб = -137,74; еУ - относительный объем нагнетаемого твердеющего

(2)

раствора; Егр - модуль упругости грунтов тела насыпи; Ер-р - модуль упругости затвердевшего раствора.

Область применения функциональной зависимости (2) ограничена областью проведенного исследования. Граничные значения параметров армирования и грунтовых условий, в пределах которых допускается применение зависимости (2), составляют:

- для относительного объема затвердевшего раствора sv: от 0,016 до 0,145 м3 раствора на 1 м3 грунта;

- для модуля упругости затвердевшего раствора Ер-р: от 165 до 680 МПа;

- для модуля упругости грунтов тела насыпи в пределах рабочей зоны Егр: от 25 до 45 МПа.

Заключение

1. Разработана модель эксплуатируемой высокой насыпи, усиленная армированием с инъектированием твердеющих растворов. Для модели выполнено поэлементное описание и обоснованы условия применения. Элементы армирования подобраны с учетом особенностей напряженно-деформированного состояния в зонах необходимого армирования.

2. Для упрощения модели армирования высокой насыпи способом напорного инъектиро-вания твердеющих растворов и возможности ее использования при проектировании усиления на первоначальном этапе проектирования установлена функциональная зависимость изменения модуля упругости усиленного грунто-

а)

б)

в)

Рис. 9. Графические зависимости модуля упругости эквивалентного слоя (усиленного массива)

от исследуемых параметров:

а - для ЕТр и б - для Ер-р и ву; в - для Егр и Ер-р

вого массива (эквивалентного слоя) от параметров армирования и грунтовых условий [формула (2)].

3. Анализ результатов моделирования показал, что при усилении грунтов напорным

инъектированием на снижение деформатив-ности массива влияют относительный объем затвердевшего раствора ву, марка раствора, характеризующаяся модулем упругости, и исходный модуль упругости насыпи.

Библиографический список

1. Терновенко Д. А. Состояние земляного полотна по итогам его эксплуатации в 2017 году // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути : тр. XV Между-нар. конф. М. : Изд-во РУТ, 2018. С. 13-17.

2. Ашпиз Е. С. Влияние тяжеловесного движения на земляное полотно // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути : тр. XII Науч.-техн. конф. с между-нар. участием. М. : МИИТ, 2015. С. 18-22.

3. Ланис А. Л., Беляков Л. О. Определение характеристик балластных шлейфов в условиях ЗападноСибирской железной дороги // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2018. № 2 (45). С. 72-81.

4. Пешков А. С. Оценка устойчивости высоких насыпей с балластными углублениями // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна железных дорог. M. : МИИТ, 2005. С. 130-134.

5. Ланис А. Л. Результаты моделирования эксплуатируемых насыпей при напорном инъектировании твердеющих растворов // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2018. № 3 (46). С. 43-50.

6. Виноградов В. В. Прогнозирование и обеспечение надежной работы железнодорожных насыпей : дис. ... д-ра техн. наук : 05.22.06 / Виноградов Валентин Васильевич. М., 1991. 398 с.

7. Zienkiewicz О. С., Humpheson C., LewisR. W. Associated and non-associated visco-plasticity and plasticity in soil mechanics // Geotechnique. 1975. № 4. P. 671-689.

8. Коншин Г. Г. Рабочая зона в насыпи // Путь и путевое хозяйство. 2001. № 2. С. 32-36.

9. Ашпиз Е. С. О влиянии тяжеловесного движения на земляное полотно // Железнодорожный транспорт. 2015. № 7. С. 50-53.

10. Железнодорожный путь : учеб. для студентов ВПО / под ред. Е. С. Ашпиза. М. : УМЦ ЖДТ, 2013. 544 с.

11. Ланис А. Л., Разуваев Д. А., Ломов П. О. Сопряжение подходных насыпей с мостами и путепроводами // Вестник СибАДИ. 2016. № 2 (48). С. 110-120.

12. Хартман К., Лецкий Э., Шефер В. Планирование экспериментов в исследовании технологических процессов. М. : Мир, 1977. 120 с.

A. L. Lanis

Reinforcement of the Main Roadbed of a High Embankment with the Pressure Injection

of Solidifying Solutions

Abstract. The long-term development program of Russian Railways, approved by government decree of 19.03.2019 No. 466-p, implies raising the transportation capacity within available infrastructure, this being possible due to the wider use of heavy and long trains. The latter circumstance, however, exerts an immediate influence on the state of railroad; as a result, in some cases railroad consolidation becomes necessary. One of the consequences of increasing the intensity of impact on high exploited embankments are deformations of the main roadbed, ensuring the reliability of the roadbed in such conditions is an urgent task and can be solved by its timely strengthening. For operating high embankments, amplification methods are effective from an economic point of view, allowing them to work without or with minimal restriction of movement. Such methods include strengthening by pressure injection of solidifying solutions, based on the formation of reinforcing elements in the soil mass from hardened mortar with compacted zones around them. The estimation of deformation zones and the determination of the optimal volumes of reinforcement of high embankments can be performed using numerical simulation, but for this it is necessary to develop and justify appropriate models.

For making simulation results more reliable, we have developed digital models of reinforced soils most fully reflecting their internal functioning processes. In numerical modeling, we studied the operation of the models of reinforced soils, both roadbed and subsoil-support fragments perceiving the train loads. With due regard for the available data gained in studies in the field of reinforced soils, the reinforcement in the models was assumed to be in the form of structural elements with known mechanical characteristics.

The article assesses the reinforcement zones of a high mound operated at a high deformability of the main roadbed, developed and justified a model of reinforcement with the pressure injection of solidifying solutions, the dependence of the deformation characteristics of the reinforced array on the reinforcement parameters was determined.

Key words: high embankment; road bed; soils reinforcement; reinforcement of pressure injection of solidifying solutions; pressure injection of solidifying solutions.

Ланис Алексей Леонидович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Геотехника, тоннели и метрополитены» СГУПСа. E-mail: LanisAL@stu.ru