Требования к материалу защитного слоя, на который укладывается геотекстиль Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Общетехнические и социальные проблемы

65

представлена к публикации членом редколлегии И. А. Ивановым.

УДК 656.2:625.141:66.067

Л. С. Блажко, В. И. Штыков, Ю. А. Канцибер, А. Б. Пономарев, Е. В. Черняев

ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛУ ЗАЩИТНОГО СЛОЯ,

НА КОТОРЫЙ УКЛАДЫВАЕТСЯ ГЕОТЕКСТИЛЬ

Геотекстильный материал, применяемый в конструкции железнодорожного пути в качестве разделительного слоя, не должен препятствовать водному обмену как внутри балластной призмы, так и между материалом балласта и грунтами основной площадки земляного полотна, следовательно, он не должен подвергаться кольматированию. При этом определенные требования предъявляются как к самим геотекстильным материалам, так и к материалу защитного слоя, на который укладывается геотекстиль.

кольматирующие частицы, восходящий фильтрационный поток от вибродинамической нагрузки, требования к коэффициенту фильтрации материала защитного слоя.

Введение

Геотекстиль не должен препятствовать водному обмену внутри конструкции пути (верхнее строение пути, рабочая зона грунтов основной площадки земляного полотна, основание земляного полотна). Это положение заложено в основу требований к его фильтрационным свойствам введением коэффициента фильтрации и закреплено в нормативных документах [1], [2].

Одно из требований, предъявляемых к геотекстильным материалам, -это свободное прохождение через них вместе с фильтрационным потоком частиц диаметром < 0,05 мм, которые склонны к агрегированию и, соответственно, к кольматированию геотекстилей.

Если геотекстильный материал подобран неправильно, то по мере наработки тоннажа его фильтрационные свойства снижаются, а при полной закольматированности, по данным зарубежных исследований и исследований, проведенных в ПГУПС в лабораторных и полевых условиях, геотекстильные материалы становятся водонепроницаемыми. Однако процесс накопления кольматирующих частиц d < 0,05 мм на их поверхности продолжится и может привести к весьма существенному снижению надежности конструкции пути.

В работе «Эксплуатационные испытания геотекстиля в США», проведенной С. Крисмером и Г. Ричардсоном, отмечается, что вследствие водонепроницаемости геотекстильного материала «...произошла

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

неравномерная осадка рельсовых нитей, железнодорожный путь с балластным слоем сместился поперек оси по поверхности синтетической ткани из-за низкого коэффициента трения». Из сказанного выше следует: в слабоводопроницаемых грунтах укладывать геотекстиль непосредственно на грунты основной площадки земляного полотна нельзя, а при укладке геотекстиля на пески их коэффициент фильтрации и толщина слоя должны удовлетворять определенным требованиям.

1 Кольматирование материала защитного слоя снизу

Исследованиями ПГУПС, выполненными в 2008-2009 гг., установлены требования к материалу защитного слоя, на который укладывается геотекстильный материал.

В случае, когда геотекстиль укладывают на песчаный слой или на слой старого балластного материала, в порах этих грунтов могут содержаться пылеватые частицы. При инфильтрации осадков через балласт и геотекстиль в нижележащий слой будут поступать мелкие частицы, которые образовались в балласте вследствие истирания частиц щебня под действием поездной вибродинамической нагрузки и работы путевых машин. Преобладающая масса образующихся при этом частиц имеет диаметр, меньше или равный 0,05 мм.

При определенных условиях в защитный слой и геотекстиль вместе с восходящим фильтрационным потоком также могут поступать кольматирующие частицы, которые будут ускорять процесс

кольматирования геотекстиля и сокращать срок его службы. Замедлить или исключить возможность кольматирования геотекстиля снизу возможно при правильном подборе гранулометрического состава защитного слоя и его толщины.

2 Условия и причины формирования восходящего фильтрационного

потока

Из теории фильтрации жидкости в грунтах известно, что восходящий фильтрационный поток возникает при отрицательных градиентах напора, направленных против силы собственного веса жидкости. К основным причинам его формирования на железных дорогах можно отнести:

• напорное водное питание;

• испарение воды;

• миграцию влаги к фронту промерзания;

• вибродинамическое воздействие поездной нагрузки на грунты земляного полотна.

Напорное водное питание грунтов земляного полотна создают грунтовые, напорные воды, формирующие восходящий фильтрационный поток. Оно встречается, как правило, в выемках и на нулевых местах в

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

67

слабоводопроницаемых грунтах, перекрывающих водоносный пласт. Дренаж в этом случае, как правило, недостаточно эффективно снижает градиент напора /н восходящего фильтрационного потока.

Интенсивность напорного водного питания, численно равную скорости восходящей фильтрации воды в грунтах Ун, можно определить по приближенной зависимости:

Ун

с

где Кс - коэффициент фильтрации слабоводопроницаемого слоя грунтов (кровли) мощностью Hc, м/сут;

#1 и #2 - пьезометрический уровень и уровень грунтовых вод соответственно, м;

Нс - мощность (толщина слоя) слабоводопроницаемых грунтов, м.

Расчеты показывают, что максимальная скорость фильтрации при Кс = 0,005...0,01 м/сут и градиентах напора /н < 0,2 не превышает 0,002 м/сут, или 2-10"6 см/с. Такие условия характерны для водоносных

Л

пластов относительно высокой проводимости (> 100 м /сут), перекрытых средними суглинками небольшой мощности (0,5.1 м).

Проведенные расчеты показали, что примерно такую же роль в формировании восходящих фильтрационных потоков играют испарение с поверхности грунта земляного полотна и миграция влаги к фронту промерзания. Например, по данным В. П. Ушкалова [3], влажность влагонасыщенных песчаных грунтов после их промерзания (льдистость) возрастает в среднем на 5. 10%. Средняя продолжительность промерзания защитного слоя толщиной 10 см составляет 5.10 сут. В этом случае при

-5

плотности песка рп = 1,5 г/см скорость восходящей фильтрации воды в промерзающей подсыпке под геотекстилем составит 0,0015.0,003 м/сут.

Вибрационные колебания, возникающие в балласте и грунтах земляного полотна от поездной нагрузки, вызывают перераспределение влаги, разжижение и виброуплотнение грунтов [4], [5]. При этом в результате «отжатия» воды поверхностные горизонты грунтов обводняются. Поэтому при колебаниях водонасыщенных грунтов под действием вибродинамической нагрузки в них возникают фильтрационные потоки с результирующим вектором, направленным вверх.

Следует отметить, что вибрационные колебания проявляются и в песчаных грунтах, которые временно превращаются как бы в текучую вязкую жидкость. Причем структура этих грунтов разрушается и ухудшаются их прочностные свойства [4], [5]. По данным

И. В. Прокудина, И. С. Козлова в статье «Колебание материалов балластного слоя и земляного полотна под стрелочными переводами»,

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

средняя частота вибрационных колебаний на железных дорогах составляет f = 5 Гц; амплитуда их колебаний уменьшается от А = 500 мкм на поверхности балласта до А = 200 мкм у основной площадки земляного полотна.

Наличие водонасыщенного балластного мешка в земляном полотне увеличивает амплитуду колебаний (на поверхности откоса над этим мешком) более чем в 2 раза, а наличие грунтовых вод в основании насыпи на глубине 1.. .1,5 м приводит к увеличению амплитуды колебаний в 2,4...3 раза по сравнению с необводненным основанием (по данным Г. Г. Коншина).

Для оценки скорости восходящего потока в защитном слое использовалась принципиальная схема действия вибрационного насоса в жидкой среде. Движение жидкости в насосе происходит за счет разности давления до и после обратного клапана всасывающего патрубка, создаваемой вибрационными колебаниями от электромагнитного индуктора.

Скорость движения жидкости, которую можно принять равной скорости восходящей фильтрации от вибрационных колебаний Увв, будет примерно равна:

Дв = л •/—. (1)

где Ц - коэффициент, характеризующий эффективность действия обратного клапана (аналог КПД);

f - частота колебаний, Гц;

А - амплитуда колебаний, см.

Взаимодействие взвешивающей подъемной и гравитационной сил в процессе колебаний создает условия для возникновения восходящего фильтрационного потока.

В течение срока службы геотекстиля коэффициент ц будет изменяться от величины, близкой к 1,0 в начале работы, когда геотекстиль только что уложен, до величины ц, соответствующей образованию на наружной (обращенной к рельсошпальной решетке) поверхности геотекстильного материала слоя из сводообразующих частиц. Причем к этому моменту геотекстиль уже будет частично закольматирован.

Рассмотрим эти два крайних случая при неблагоприятном сценарии, когда при интенсивных осадках слой, на который уложен геотекстиль, водонасыщен. Образование мелких частиц, включающих в себя кольматирующие и сводообразующие, от вибродинамической нагрузки происходит с самого начала эксплуатации пути. При этом не исключается наличие кольматирующих частиц крупностью < 0,05 мм в самом защитном подстилающем слое.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

69

Например, геотекстиль только что уложен, коэффициент его фильтрации одного порядка с коэффициентом фильтрации песка или песчано-гравийной смеси (ПГС), на которую он уложен. Примем предельное значение Ц = 1,0; f = 5 Гц, А = 400 мкм = 0,04 см. Тогда по формуле (1) получим Увв = 0,1 см/с. В этом случае в восходящем фильтрационном потоке во взвешенном состоянии в период прохода поезда во внутрипоровом пространстве подстилающего слоя будут находиться частицы, гидравлическая крупность которых и будет меньше скорости фильтрации Увв = 0,1 см/с.

Г идравлическая крупность определяется экспериментально или расчетом по формулам Стокса, Руби и В. Н. Гончарова (Справочник по гидравлическим расчетам / ред. П. Г. Киселев) и зависит от плотности и крупности частиц, а также от динамического коэффициента вязкости воды. По данным В. Н. Гончарова, диаметр взвешенных в воде твердых частиц при и = Увв = 0,1 см/с и температуре воды 10...20°С составит dli < 0,04 мм. При этом, если диаметр расчетного фильтрационного хода

геотекстильного материала меньше 0,165 мм, то геотекстильный материал начнет кольматироваться и сверху, и снизу.

С течением времени на поверхности геотекстильного материала образуется переходный слой из сводообразующих частиц, осредненный механический состав которых характеризуется следующими исходными данными: n = 0,38; d17 = 0,087 мм, коэффициент неоднородности

Г) =-^- = 10,8. Коэффициент фильтрации этого переходного слоя равен

d\ о

7,2 м/сут, что существенно меньше коэффициента фильтрации подстилающего слоя из песка или ПГС и, соответственно, отражается на величине коэффициента Ц. Величина градиента напора в слое сводообразующих частиц определится из соотношения:

V

J = вв

К

ф

где Увв - скорость фильтрации в слое сводообразующих частиц,

см/с;

Кф - коэффициент фильтрации этого же слоя, см/с.

Натурные и лабораторные исследования показали, что слой воды, образующийся на поверхности грунта под действием вибрации, не превышает 1.3 мм. Поэтому в первом приближении Jвв можно принять равным 1,0. С учетом сказанного из формулы (1) получаем зависимость для определения коэффициента Ц:

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

л =

0,5-f-А

(2)

Подставляя в формулу (2) вместо f А и Кф их численные значения, вычислим коэффициент ^, соответствующий частично

закольматированному геотекстилю:

0,0084

Г| —----------= 0,084, или 8,4%.

0,5-5-0,04

В этом случае Увв = Кф = 0,0084 см/с и диаметр взвешенных частиц будет составлять тысячные доли миллиметра, причем будет преобладать процесс кольматирования сверху. В пределах нормативного срока службы это возможно только в геотекстилях, у которых расчетный диаметр фильтрационного хода не удовлетворяет условию (3):

0,165 мм < du < 0,220 мм. (3)

При соблюдении условия (3) взвешенные восходящим фильтрационным потоком частицы крупностью < 0,04 мм будут относительно свободно перемещаться через геотекстильный материал сверху вниз и снизу вверх, не кольматируя геотекстиль полностью по крайней мере в течение нормативного срока его службы.

Какие же требования следует предъявлять к материалу защитного слоя, на который укладывается геотекстильный материал, и какова должна быть его минимальная толщина?

Как уже говорилось выше, наличие водонасыщенного подстилающего слоя не должно препятствовать перемещению в нем частиц < 0,04 мм, которые будут появляться в нем во взвешенном состоянии в период вибродинамического воздействия поездной нагрузки. Однако, если диаметр фильтрационного хода геотекстиля удовлетворяет условию (3), то такой геотекстильный материал будет пропускать кольматирующие частицы большего диаметра крупностью до 0,05 мм. В этом случае целесообразно, чтобы материал подстилающего слоя также пропускал эти частицы, иначе они начнут откладываться непосредственно под геотекстилем. В качестве примера рассмотрим именно этот случай, являющийся наиболее целесообразным.

3 Обеспечение некольматируемости грунта подсыпки

Для обеспечения некольматируемости материала защитного слоя должно соблюдаться условие, которое отражено в Рекомендациях по проектированию обратных фильтров гидротехнических сооружений ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева 1981 г.:

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

71

dmax

-т—>я, (4)

dcl

г max i

где du - диаметр максимального фильтрационного хода материала

защитного слоя, мм;

dci - максимальный диаметр кольматирующих частиц в защитном

слое, переносимых в него через геотекстильный материал при инфильтрации осадков или осадков, взвешенных восходящим фильтрационным потоком, мм;

a - параметр, зависящий от диаметра кольматирующих частиц, изменяется в пределах 3,3.. .4,4.

Для кольматирующих частиц диаметром dci = 0,04.0,05 мм параметр а принимается равным 4 [6].

Из соотношения (4) получаем:

dUmax = a ■ dci = 4 • 0,05 = 0,20 мм.

Таким образом, при величине dMmax= 0,20 мм материал защитного слоя кольматироваться не будет.

4 Требования к коэффициенту фильтрации и минимальной толщине материала защитного слоя

Рассмотрим на примере, какую минимальную величину коэффициента фильтрации должен иметь песок или песчано-гравийная смесь, которые имеют диаметр фильтрационного хода dMmax = 0,20 мм. Примем n = 0,36; V = 0,0114 см2/с.

Тогда K

n-g-dI 0,36-981-0,022 8-ti2-v ~8-ЗД42-0,0114

0,157 см/с, или 136 м/сут.

Заключение

Выполненные расчеты показывают, что частицы диаметром < 0,05 мм не будут выноситься по поверхности земляного полотна, представленного связанными грунтами, из межрельсового пространства в поперечном по отношению к оси пути направлении ввиду малости здесь градиентов напора и соответственно скоростей фильтрации. Поэтому основная масса частиц крупностью до 0,05 мм будет скапливаться на поверхности земляного полотна.

При определенных условиях за 30 лет эксплуатации пути поры песка или песчано-гравийной смеси в защитном слое толщиной около 5,0 см, лежащем на грунтах основной площадки земляного полотна, могут

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2

Общетехнические и социальные проблемы

оказаться заиленными частицами крупностью до 0,05 мм. При этом необходимо обеспечить за пределы балластной призмы по оставшейся незаиленной части подсыпки наибольший сток, который будет наблюдаться при суточных осадках 1%-ной обеспеченности, составляющий в условиях Северо-Запада России 60 мм.

При ширине геотекстильного материала 4,5 м и коэффициенте фильтрации материала защитного слоя не менее 130 м/сут максимальная глубина фильтрационного потока в межрельсовом пространстве при выпавших суточных осадках составит 5 см. Таким образом, с гидравлической точки зрения вполне достаточна толщина слоя подсыпки из песка или песчано-гравийной смеси с учетом ее заиления в части, примыкающей к земляному полотну, равная 10 см.

Библиографический список

1. Технические указания на применение пенополистирола и геотекстиля при усилении основной площадки земляного полотна без снятия рельсошпальной решетки. - М. : ПТКБ ЦП МПС, 1999. - 37 с.

2. Руководство по применению полимерных материалов (пенопластов, геотекстилей, георешеток, полимерных дренажных труб) для усиления земляного полотна при ремонтах пути / МПС России. - М. : ИКЦ «Академкнига», 2002. - 111 с.

3. Строительные свойства многолетнемерзлых грунтов оснований и ускоренные методы их определения / В. П. Ушкалов. - Новосибирск : Наука, 1971. - 82 с.

4. Динамика многофазных грунтовых сред / А. Г. Мишель, С. Г. Шульман. -СПб. : Изд. ОАО ВНИИГ, 1999. - 396 с.

5. Рекомендации по методике прогноза изменения строительных свойств структурно-неустойчивых грунтов при подтоплении. - М. : Стройиздат, 1984. - 156 с.

6. Прогнозы подтопления и расчет дренажных систем на застраиваемых и застроенных территориях : справочное пособие к СНиП / Комплексный научноисследовательский и конструкторско-технологический институт водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрологии. - М. : Стройиздат, 1991. - 272 с.

Статья поступила в редакцию 15.04.2010.

УДК 656.25

П. Е. Булавский, Д. С. Марков, Д. Х. Баратов

ОБОБЩЕННАЯ ФОРМАЛИЗОВАННАЯ СХЕМА ВЕДЕНИЯ ЗАКАЗНЫХ СПЕЦИФИКАЦИЙ

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/2