CC BY
73
УДК 625.122
А. В. Н1КОЛАЙЧУК (ТОВ «Пдрозахист»), I. П. ГАМЕЛЯК (НТУ, Кшв), А. С. ЛИТВИНЕНКО (ДерждорНДГ, Кшв), I. В. ЛЯХОВИЙ (твденно-Захщна залiзниця Украши, Ки!в), Г. В. ЖУРБА (ТОВ «Gвроiзол-Geosynthetics»)
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СТ1ЙКОСТ1 БАЛАСТНО1 ПРИЗМИ НА СЛАБК1Й ОСНОВ1 ПРИ МОДЕРШЗАЦП ЗАЛ1ЗНИЧНО1 КОЛ11
В статп розглянуто питання забезпечення стшкосп земляного полотна на слабк1й основ1 з використан-ням геосинтетичних матер1ал1в. В результат розрахунк1в насипу за несучою здатнютю, деформац1ями та стшшстю стало можливим обгрунтоване застосування геосинтетичних матер1ал1в для пвдсилення грунпв основи та укоав високих наситв.
Ключовi слова: баластна призма на слабкш основу геосинтетичш матер1али, пвдсилення грунпв основи та укоав високих наситв
В статье рассмотрен вопрос обеспечения устойчивости земляного полотна на слабом основании с использованием геосинтетических материалов. В результате расчетов насыпи на несущую способность, деформации и устойчивость стало возможным обоснованное применение геосинтетических материалов для усиления грунтов основы и укосов высоких насыпей.
Ключевые слова: балластная призма на слабом основании, геосинтетические материалы, усиление грунтов основы и укосов высоких насыпей
In the article the issue of provision of stability of road bed on weak basis with application of geosynthetics is considered. Due to calculations of earthfill with bearing capacity, deformations and stability the substantiated application of geosynthetics to strengthen the soils of basement and slopes of deep embankments is possible.
Keywords: ballast prism on weak basis, geosynthetics, strengthening the soils of basement and slopes of deep embankments
В рамках подготовки до Свро-2012 Укрзат-зниця працюе над впровадженням швидюсного руху. В 2010 рощ залiзничниками каштально вщремонтовано 858 км колш i повнютю модер-шзували 558 км. У 2011 рощ заплановано каттально вщремонтувати ще 766 км та повнютю модершзувати 366 км коли [1]. Модершзащя коли проводиться з метою шдвищення швидю-сних характеристик затзнищ шляхом замши рейко-шпально! реш^ки, баластно! призми та шдсилення слабко! основи. Впровадження при-скореного руху до 160 км/год сприятиме штег-раци вiтчизняного залiзничного транспорту в едину европейську транспортну мережу швид-кiсного залiзничного сполучення.
Досягнення таких показниюв швидкiсного режиму неможливе без шдвищення стшкосп баластно! призми, особливо на донках зi сла-бкою основою. Високi вимоги щодо рiвностi затзнично! коли вимагають мiшмiзащ! консо-лiдацiйних процесiв у земляному полотш. За традицiйною технологiею покращення фiзико-механiчних властивостей rрунтiв на дшянках зi слабкою основою досягаеться шляхом вщси-пання поверх слабко! основи шару щебеню. Прогнозувати кшьюсть щебеню, необхщну для забезпечення мiцностi основи, дуже складно,
тому вона визначаеться в кожному окремому випадку безпосередньо на мющ виконання ро-бiт. З часом, значна частина щебеневого балас-ту змiшуеться зi слабким грунтом, що знову призводить до втрати мщносп основи щебене-во! призми, виникнення !! осiдання, i, як насл> док, зменшення швидкостi руху по!здiв.
Для запобiгання перманентному осщанню колi! необхiдне, як ретельне дослщження грун-тiв основи для визначення достовiрних значень !х фiзико-механiчних властивостей, так i застосування сучасних технологiй, що використову-ють геосинтетичш матерiали.
Одним iз прикладiв може бути модершзащя затзнично! колi! на дшянщ Вiнниця - Сосонка Ивденно-Захщно!. Дана дiлянка е однiею iз найстарiших у складi залiзницi. За час експлуа-тацi! !! модершзащя вщбувалась неодноразово. Це було пов'язано, як iз влаштуванням друго! коли i вiдповiдними змiнами у конструкци земляного полотна, особливо на мостових переходах, так i тд час !! електрифiкацi!.
При виконанш проектних робiт виникли складностi зi стабiлiзацiею земляного полотна пiд баластною призмою. Протягом багатьох рокiв на цш дiлянцi боролися з трьома «хвори-ми» мюцями, де спостер^ались зсувнi процеси,
© Ншолайчук А. В., Гамеляк I. П., Литвиненко А. С., Ляховий I. В., Журба Г. В., 2011
через тиксотропш властивосп грунт1в основи баластно! призми, пеpiодично виникали просадки. Bei попередш спроби виpiшити щ пробле-ми тpадицiйними методами вимагали значних фiнансових витрат i мали лише короткочасний ефект. Дiюча нормативна база хоч i передбачае застосування геосинтетичних матеpiалiв, але не дае методики розрахунку стшкосп та мщносп баластно! призми на слабкiй основi з викорис-танням таких матеpiалiв. Тому кеpiвництвом Укpзалiзницi було прийнято piшення на ство-рення експериментально! дiлянки в рамках проекту «Модершзащя залiзнично! коли на д> лянщ Biнниця - Сосонка парна колiя 1072(0,2) - 1063(0,4)». Наyково-дослiдний центр ТОВ «Пдрозахист» на замовлення генерального проектувальника об'екту проектного iнститyтy «Львiвтpанспpоект» розробив заходи по стаб> лiзацil баластно! призми з використанням геосинтетичних матеpiалiв [2].
Враховуючи складшсть поставлено! задачi, постала необхiднiсть виконання ретельних ш-женеpно-геологiчних вишукувань з метою ви-значення стану земляного полотна. Ця частина роботи була виконана спещалютами лаборато-pi! грунпв i земляного полотна Державного до-рожнього НД1 iм. М. П. Шульгша. Дослiдження виконувались з використанням методу динам> чного зондування за удосконаленою методикою [3], i шляхом вщбору зpазкiв для лабораторних випробувань з подальшим статистичним та аналггичним аналiзом отриманих даних.
В процес дослiдження у грунт забиваються металевi стеpжнi перший з яких мае конусний наконечник з кутом при вершиш 60° i площею лобового пеpеpiзy 3,0 см2, дiаметp якого у 1,4 рази бшьше дiаметpа штанг для зменшення чи повного усунення тертя грунту по бiчнiй пове-pхнi штанг (рис. 1). Молот стало! маси (7,5 кг) вшьно падае на «наковальню» вздовж направ-ляючо! штанги. Залежно вщ опору гpyнтiв зон-дуванню висота скидання молота може змшю-ватись, що дозволяе оцiнювати мiцнiсть (несучу здатшсть) i yщiльненiсть грунпв у piзних за властивостями шарах з приблизно однаковою точнiстю. Всього таких сталих висот скидання молота чотири: 4,8 см; 12,0 см; 30,0 см; 75,0 см. Отримаш на основi статистичного аналiзy без-перервш гpафiки опору гpyнтiв зондуванню Рд = f(H) наносять на шженерно-геолопчш роз-piзи для !х наступного сyмiсного аналiзy.
В результат iнженеpно-геологiчних вишукувань була шдтверджена наявнiсть «хворих мiсць», а також визначеш дiлянки потенцiйних дефоpмацiй, що ще не проявились у вигщщ
осiдання баластно! призми. Найбiльш складною дшянкою земляного полотна е тдходи до мета-левого мосту через р. Десенка на д^нщ 1067(0,0) - 1068(0,2). До останньо! реконструк-цi! висота насипу бiля мосту була на три метри нижче шж зараз. При влаштуванш друго! колi! вiдсипали бiльш високий насип (непарна колiя), а вiдповiдно тдняли i новий мiст. Пiсля пере-ведення руху на нову колда пiдняли на висоту близько 3,0 м i старий насип разом iз старим мостом. Стан досипано! частини насипу вияви-вся значно пршим, як через недостатню ущшь-ненiсть грунту, так i через значно збшьшену площу водозбору атмосферних опадiв на тдхо-дах до мосту, як потрапляють через шар щебеню в грунт насипу. Насип земляного полотна на тдходах до мосту через р. Десенка складаеться з тску алювiального дрiбнозернистого, серед-ньо! густини. Запропоноване проектне рiшення рекомендуе розiбрати частину земляного полотна i заново вкласти насип до проектних вщм> ток, виконавши армування розiбрано! вiднов-леного земляного полотна геосинтетичними матерiалами.
Рис. 1. Проходження зондувальних свердловин
На основi отриманих при шженерно-геологiчних вишукуваннях даних науково-дослщним центром ТОВ «Гiдpозахист» при шдтримщ спецiалiстiв НТУ та ТОВ «€вpоiзол-Geosynthetics» виконанi розрахунки осiдання насипу на слабкш основi та час консолщаци насипу [2, 4]. Розрахунок насипу виконуеться за несучою здатнютю, дефоpмацiями, та стшю-стю. При розрахунках важливим е адекватна ощнка напружено-деформованого стану насипу вiд ди зовнiшнього навантаження. При досл> дженш НДС використовуються piшення меха-шки гpyнтiв [5] та метод сюнченних елементiв [6]. Перспективним може бути розв'язання за-значених задач на основi теори зернистих сере-довищ, тобто на основi систем iз структурами вipогiдностi E. Харра [7].
Для розрахунку НДС нами використаш pi-шення статистично! теори:
Оуу (^ 2) := ЧУ
ф
сгг (x, y, г) :=<
у-
-ф
у - ь
Г ,(у+Ь)2 Г 1(у-Ь)2
(у + Ь)е 2vz 2 - (у - Ь)е 2vz2
ф|У±51-ф( у-а
\ (
ф!^ Ыу - Ь
Тхг (^ У, г) :=-Чл —
ф| У+ЬЫу - ь
Туг (^ У, г) :=-Чх\—
х + а 1 ( х - а ф| —= 1-Ф
1 ( х +а )2 1 ( х-а)2
2vz 2 - е 2vz 2
Г 1 (у+Ь)2 Г 1 (у-Ь)2
2vz2 - е 2vz2
т ху(х,у,г ):=2П
де Ф(г) - нормована функцiя Лапласа, а i Ь -розмiри попередньо-напружено! залiзобетонно! шпали СБЗ-1 (2700 х 30 мм), коефщент бокового напруження (V = огориз/аверт.), х - вщстань мiж центрами шпал, у - вщстань мiж точками прикладання навантаження (центрами рейок), г - глибина, м.
Рис. 2. Розподш осьового навантаження на шпали
Сумарш напруження визначаються за принципу суперпозици iз врахуванням розподiлу осьового навантаження на шпали (рис. 2). При розрахунку земляного полотна напружено-деформований стан елеменив рейко-шпально! решiтки не е ютотним. Тому до розрахунку бе-реться розподiл тиску на шпали вщ колiсних пар, близький до експериментальних даних (рис. 3) [6]. В розрахунках прийнято середнш тиск пiд окремими шпалами в кПа: = Ч5 = = 23,609 кПа, 42 = Ча = 76,274 кПа, ч = 163,444 кПа. Вщстань мiж центрами шпал ¡\ = 15 = = -/+1,092 м, ¡2 = ¡4 = -/+0,546 м, ¡0 = 0 м.
Абсолютш величини максимальних значень
1 ( х+ а )2 " 1 ( х-а)2 Г 1(у+Ь)2 Г 1(у-Ь)2
2 vz 2 - е 2vz2 е 2 vz2 - е 2vz 2
вертикальних напружень на основному майда-нчику земляного полотна (55...75 кПа), отри-маш за ршенням статистично! механiки, близью до експериментальних даних [6]. Максима-льне значення дотичних напружень спостерша-еться на глибиш 0,8.1,4 м, що необхiдно враховувати при призначенш армування геосинтетиками. На рис. 3 i 4 представлено при-клади визначення напружень. Розрахунки стш-кост насипiв земляного полотна виконувались з врахуванням динамiчного впливу рухомого складу, рiвня грунтових вод та фiзико-механiчних властивостей грунта насипу i слаб-ко! основи [8, 9]. Загальний необхщний коеф> цiент запасу стiйкостi зпдно [8] повинен вщпо-вiдати умовi К3 = Мк/М0 > 1,4, де Мк i М0 - вщ-повiдно, момент утримуючих i момент зсувних сил вiдносно центру криво! обертання.
-1-1.5-
-2.5-
-3.5-
*•
*
\ у /
У 1
/ 1
/ '
1 1
1 \
73
146
219
292
365
Вертикальне нормальне напруження, МПа,
Рис. 3. Змша вертикальних нормальних напружень за ршенням статистично!' мехашки, напружень ввд власно!' ваги та сумарних напружень по глибиш
-2
-3
-4
* * У
/ /* ч 1 в *
/ / / / ' /
I / а /
•1 / "1 / и /
-1
-2
-3
-4
-5
Дотичне напруження, кПа
Рис. 4. Змша дотичних напружень тгг по глибинi за ршенням статистично!' механiки
Розрахунок виконувався за методом кругло-цилшдричних поверхонь обертання, адаптова-ним до нормативних вимог для спорудження зал1знищ (рис. 5).
Рис. 5. Розрахункова схема поперечного перерiзу земляного полотна для програмного забезпечення Я^Л 3.0
ал з УФ-стабшзованого пол!пропшену типу Тураг®8Р77 з мшмальною мщнютю на розрив 20 кН/м { вщносним видовженням до 55 %. Гео-синтетичний матер1ал вкладаеться на глибиш 0,80 м вщ низу шпал на сплановану ущшьнену поверхню.
• Безпосередньо на шар термоскршленого геосинтетичного матер1алу вкладаеться нижнш армуючий шар ¿з тканих геограток типу ЛгшаГех О®55/55 (гранична мщшсть на розрив в поздовжньому { поперечному напрямках -60 кН/м; вщносне подовження при розрив! в поздовжньому { поперечному напрямках -13 %; матер1ал - високомщний пол1еф1р).
• Дал! вкладаеться шар щебеню або ще-бенево-пщано! сумш! потужнютю 0,35... 0,40 метр1в { ущшьнюеться котками 15.. .16 т.
• На глибиш 0,40... 0,45 м вщ низу шпал вкладаеться другий армуючий шар ¿з геограток типу ЛгшаГех О 55/55.
Рис. 6. Схема армування основи бадастно! призми геосинтетичними матерiалами
За допомогою програмного забезпечення Яе88Л 3.0 визначено, що на всш дшянщ моде-ршзацп парно! коли Вшниця - Сосонка 1072(0,2) - 1063(0,4) для забезпечення необхщ-но! мщност та р!вносп земляного полотна не-обхщно виконати наступи заходи (див. рис. 6):
• Пюля зр1зання 0,80 м старо! баластно! призми рекомендуеться ущшьнити земляне полотно 1 спланувати поверхню з поперечним ухилом в 5 % вщ ос насипу.
• Для запобпання зануренню чистого щебеню баластно! призми в грунт земляного полотна, покрашення вщводу поверхневих вод та забезпечення пропуску пари в зворотному на-прямку (знизу вверх) запропоновано безпосередньо пщ нижшм шаром геограток вкласти нетканий термоскршлений роздшяючий, пщси-люючий { фшьтруючий геосинтетичний матерь
Рис. 7. Схема армування земляного полотна геосинтетичними матерiалами на шдходах до мосту
На пщходах до мосту через р1чку Десенка кшьюсть необхщних армуючих шар1в геограток поступово збшьшуеться з двох до п'яти (рис. 7) [2, 10]. Це пов'язано з необхщнютю зменшення деформацш баластно! призми при переход! рейко-шпально! решггки до жорстко! мостово! конструкц!!.
Висновок
На основ! виконаних обстежень ! розрахун-юв стало можливим обгрунтоване застосування геосинтетичних матер1ал1в для пщсилення гру-нпв основи, та укос1в високих насишв. Така технолопя дозволяе збшьшити м!жремонтш термши ремонту кол!!, зменшення часу стабш-зацп кол!!, пщвищити мщшсть земляного полотна та р1внють коли за рахунок використання армуючих геосинтетичних матер1ал1в. Також зменшуеться обсяг земляних робгг. Консолща-щя основи вщбуваеться р1вном1рно, що пщви-щуе безпеку руху зал1зничного транспорту. Збшьшуеться термш експлуатац!! земляного
полотна. Значно зменшуеться втрата щебеню баластно! призми через вiдсутнiсть змiшування з тиксотропними грунтами земляного полотна.
Як наслщок забезпечуеться можливють впро-вадження швидкiсного режиму руху до 160 км/год.
Рис. 8. Влаштування армуючих шар1в мехашзованим i ручним способом та контроль модуля пружносп приладом динамiчного навантаження ZFG02
Рис. 9. Вигляд модершзовано! дiлянки при прийманш державною комiсiею
2.
3.
4.
5.
Б1БЛЮГРАФ1ЧНИИ СПИСОК
Костюк, М. Д. Укрзалiзниця працюе над впро-вадженням швидк1сного руху в Укрш'ш [Елект-рон. ресурс] / М. Д. Костюк. - Режим доступу: http://www.uz.gov.ua
Заходи по стабшзацп земляного полотна пвд баластною призмою в рамках проекту: Модер-нiзацiя залiзничноl коли на дiльницi Вiнниця -Сосонка парна ^я 1072(0,2) - 1063(0,4) [Текст]. - К., 2010. - 34 с.
Литвиненко, А. С. Удосконалення методики обробки даних, отриманих методами динамiч-ного i статичного зондування грунтiв [Текст] / А. С. Литвиненко // Мiжвiдомчий наук.-техн. збiрник. Будiвельнi конструкций - Вип. 63. - К., 2005. - С. 154-160.
Пособие по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах (к СНиП 2.05.02-85) [Текст]. - М.: Стройиздат, 1989. - 192 с.
Цытович, Н. А. Механика грунтов [Текст] / Н. А. Цытович. - М.: Высш. шк., 1973. - 280 с. Корнеев, Д. О. Оценка напряженно-деформированного состояния железнодорожных насыпей с
использованием объемных геомоделей [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Д. О. Кор-неев. - Новосибирск: Сибирский гос. ун-т путей сообщения, 2009. - 26 с.
7. Freeman, R. B. Stress Predictions for Flexible Pavement Systems [Text] / R. B. Freeman, M. E. Harr // J. of Transportation Engineering. -2007. - Vol. 133. - P. 142-148.
8. ВБН В.2.3-218-544:2008 Споруди транспорту. Матерiали геосинтетичш в дорожньому будiвництвi [Текст]. - К., 2008. - 122 с.
9. Поабник № 1 з проектування земляного полотна i дорожшх одяпв iз застосуванням геосинте-тичних матерiалiв (доповн. до ВБН В.2.3-218-544:2008) [Текст]. - К., 2007. - 146 с.
10. Стандартные проектные решения и технологи усиления земляного полотна при подготовке полигонов сети для введения скоростного движения пассажирских поездов [Текст]. -Вып. 3. - М., 1999. - С. 35-57.
Надшшла до редколегп 31.03.2011.
Прийнята до друку 08.04.2011.
