CC BY
38Б01 10.52170/1815-9265_2021_58_104 УДК 625.123
А. Л. Ланис, Д. А. Разуваев, Д. А. Усов
Влияние оттаивания сезонно-мерзлых грунтов на деформации земляного полотна
Поступила 11.06.2021
Рецензирование 14.06.2021 Принята к печати 23.06.2021
Определение наиболее неблагоприятных эксплуатационных условий является одной из важнейших задач при проектировании новой железнодорожной линии или реконструкции существующей. В качестве вероятного наиболее неблагоприятного эксплуатационного условия выступает весенний период, когда грунт под балластным (защитным, при наличии) слоем оттаивает лишь на некоторую глубину, а ниже сохраняется мерзлый грунт, прочностные и деформационные характеристики которого из-за переувлажнения наименьшие. Изменение прочностных и деформационных характеристик грунтов в процессе оттаивания - основная причина изменения напряженно-деформированного состояния деятельного слоя земляного полотна.
В статье проведен краткий анализ исследований, в которых рассматривается оттаивание грунтов. Представлен подход к определению наиболее неблагоприятных эксплуатационных условий (весенний период при частичном оттаивании грунтов земляного полотна). Предложена одномерная модель оттаивающих се-зонно-мерзлых грунтов земляного полотна, в которой мощность оттаявшего слоя изменяется в соответствии с фазами послойного оттаивания. Разработана расчетная схема для определения осадки оттаивающих сезонно-мерзлых грунтов во времени по схеме линейно-деформируемого слоя, конечной границей которого является глубина протаивания.
Реализовано численное моделирование по предложенному подходу для участка земляного полотна Западно-Сибирской железной дороги, с выполнением лабораторных испытаний грунтов на компрессионное сжатие при оттаивании. Построены графики изменения физико-механических характеристик по глубине, график осадки во времени при оттаивании сезонно-мерзлого грунта земляного полотна.
По результатам численного моделирования выделен неблагоприятный период, когда происходит резкое снижение физико-механических характеристик грунтов земляного полотна в зоне сезонного промерзания, свидетельствующий о наиболее неблагоприятных условиях для эксплуатации.
В статье предлагается выполнять проектирование на выделенный наиболее неблагоприятный период, при этом нормативные и расчетные прочностные и деформационные характеристики грунтов рекомендуется назначать с учетом избыточной влажности после промерзания.
Ключевые слова: земляное полотно, оттаивание грунтов, модель, осадка при оттаивании, деятельный слой.
В ходе статистического анализа данных, полученных в исследовании [1], установлено, что наибольшая динамика образования просадок приходится на апрель и май - период оттаивания грунтов земляного полотна. Согласно ЦП-544 [2], в большинстве случаев данные деформации можно классифицировать как весенние пучинные просадки, которые связаны прежде всего с образованием пучинных горбов или большим равномерным пучением. Но, как показывают исследования [3], величина пучения может значительно отличаться от величины осадки при оттаивании грунтов, что обуславливает связь описываемых деформаций не только с пучением, но и с изменением физико-механических характеристик грунтов деятельного слоя земляного полотна.
При проектировании новой железнодорожной линии или реконструкции существующей необходимо выполнять важнейшее требование
нормативной документации по учету наиболее неблагоприятных эксплуатационных условий, в том числе процесса сезонного промерзания-оттаивания грунтов земляного полотна, который напрямую влияет на изменение прочностных и деформационных характеристик, что влечет за собой снижение несущей способности основной площадки. Данный вопрос недостаточно изучен, отсутствуют обоснованные модели и расчетные схемы.
В ряде работ отечественных и зарубежных авторов [3-5] рассматривается вопрос влияния оттаивания грунтов основания. Например, в [4] представлен процесс консолидации оттаивающих грунтов основания при моделировании напряженно-деформированного состояния насыпей. Однако вопросу оттаивания се-зонно-мерзлых грунтов земляного полотна транспортных сооружений уделено недостаточное внимание. Известно исследование [6],
в котором определен график изменения относительной влажности грунта в рабочем слое земляного полотна во времени, что предполагает изменение прочностных и деформационных характеристик, рассмотрена модель, которая базируется на изменении прочности дорожной одежды.
Изменение прочностных и деформационных характеристик грунтов в процессе оттаивания является основной причиной изменения напряженно-деформированного состояния деятельного слоя земляного полотна. В связи с этим возникают сложности в прогнозировании возможных осадок при наиболее неблагоприятных эксплуатационных условиях, поскольку отсутствует расчетная модель и методика, что подтверждает актуальность рассматриваемого вопроса.
С целью определения наиболее неблагоприятных эксплуатационных условий железнодорожного пути необходимо оценить величину осадки оттаивающих сезонно-мерзлых грунтов земляного полотна во времени St,/ и наличие неблагоприятного периода, когда земляное полотно находится в наиболее неблагоприятных условиях.
Известно, что в период промерзания грунтов деятельного слоя, особенно дисперсных, происходит перераспределение влажности вследствие миграции воды, а учитывая, что промерзание грунтов земляного полотна осуществляется по открытой схеме, оно сопровождается льдообразованием. При замерзании воды в грунте наблюдается резкое изменение физико-механических характеристик и увеличе-
ние объема самого грунта, что объясняет образование таких деформаций, как пучины [7].
Предполагаемым наиболее неблагоприятным эксплуатационным условием является весенний период, когда грунт под балластным (защитным, при наличии) слоем оттаивает лишь на некоторую глубину, а ниже сохраняется мерзлый грунт. Рассматриваемый процесс в большей степени оказывает влияние при глинистых грунтах земляного полотна.
В данных условиях оттаявший слой оказывается водонасыщенным, а из-за наличия неоттаявшего грунта вода может отжиматься лишь в балластный слой и частично в сторону. При этом прочностные и деформационные характеристики снижаются, резко теряется несущая способность грунтов основной площадки [8], появляется возможность выдавливания грунтов земляного полотна в сторону обочины.
На основе анализа исследования [6] авторами была разработана одномерная модель (рис. 1) для расчета осадки оттаивающих се-зонно-мерзлых грунтов земляного полотна, которая представлена многослойной средой, состоящей из оттаявшего слоя (переменной мощности) к(и,1 -1, слоя сезонно-мерзлого грунта - 2 и слоя грунта, не попадающего в границы деятельного слоя, - 3. К модели прикладывается равномерно распределенная нагрузка - 4.
Мощность оттаявшего слоя Н^/ в модели (см. рис. 1) изменяется в соответствии с фазами послойного оттаивания и рассматривается поочередно, именно поэтому принимается переменной.
а)
б)
в)
Рис. 1. Одномерная модель оттаивающих сезонно-мерзлых грунтов земляного полотна: а - при оттаивании слоя ННд; б - при оттаивании слоя НН>2; в - при оттаивании слоя с1™п- мощность грунтов земляного полотна, попадающих в деятельный слой, м; Н - мощность /'-го оттаявшего слоя, м
Для определения мощности грунтов земляного полотна, попадающих в деятельный слой , необходимо первоначально рассчитать нормативную глубину сезонного промерзания многослойной конструкции (балласт, защитный слой, грунт земляного полотна). Поскольку слои имеют резко отличающиеся теплофизические характеристики, расчет следует проводить по формуле
( * ^ ( * ^
V, п
V, п
-К
1 -
V, п
/, п /
1 -
1 -
V, п , п )
V, п
/, п у
(1)
где
11
V, п
12
V, п
^ п - нормативная глубина сезонного промерзания первого (верхнего), второго и 7-го слоев соответственно, м, определенная по методике [9]; К1, К2, К_1 - мощность первого (верхнего), второго и предпоследнего слоев соответственно, м.
Физико-механические характеристики оттаивающих сезонно-мерзлых грунтов земляного полотна устанавливаются путем отбора проб ненарушенной структуры в период наибольшего сезонного промерзания. Для определения деформационных характеристик проводятся компрессионные испытания при оттаивании. Их результатом являются коэффициенты оттаивания и сжимаемости.
Осадку оттаивающих сезонно-мерзлых грунтов земляного полотна предлагается определять аналогично расчету осадки насыпей зимней отсыпки, предложенному Г. Д. Михайловым [10], но с использованием лишь составляющей осадки за счет уплотнения тела насыпи при оттаивании. В рассматриваемом случае величина осадки устанавливается по схеме линейно-деформируемого слоя, конечной границей которого является глубина протаивания. Эта глубина для определения наихудшего состояния назначается переменной Кк. С целью установления наиболее неблагоприятных эксплуатационных условий необходимо дать прогноз протекания осадок во времени при оттаивании.
Известно, что процесс осадки мерзлых грунтов при оттаивании отличается от осадки немерзлых грунтов. Отличие заключается в характере развития осадок, учитывающем скорость и режим оттаивания. Для учета ско-
рости и режима оттаивания воспользуемся решением теплофизики для одномерной постановки задачи [3]:
К , (2)
где Pí - тепловой коэффициент, м/сут-1/2; t -время оттаивания, сут.
Величина осадки оттаивающих сезонно-мерзлых грунтов земляного полотна в процессе эксплуатации, соответствующая данному времени t, определяется по формуле
= Ё ЛкЛК,7 +Ё тЛ,г°
0,7 Й,1'
(3)
7=1 7=1
где Лк,7, тк,7 - коэффициент оттаивания, д. е., и сжимаемости, кПа-1, соответственно 7-го слоя оттаивающего грунта; 00,7 - полные напряжения в насыпи в середине 7-го слоя грунта, кПа; К - мощность 7-го оттаявшего слоя, м.
Для установления величины осадки оттаивающих сезонно-мерзлых грунтов земляного полотна в процессе эксплуатации на основе принятой модели была разработана расчетная схема, которая представлена на рис. 2.
Допущения, принимаемые при расчете осадки оттаивающих сезонно-мерзлых грунтов земляного полотна в процессе эксплуатации:
- коэффициенты оттаивания и сжимаемости определяются в лабораторных условиях по результатам компрессионных испытаний при оттаивании;
- поправки на разность суммарных льди-стостей и за неполное смыкание макропор оттаивающего грунта не вводятся;
- учитывается оттаивание исключительно грунтов земляного полотна, поскольку грунты балластной призмы и защитного слоя являются дренирующими и малосжимаемыми.
С целью апробации предложенного подхода авторами выполнен расчет для действующего участка железнодорожной линии. Для расчетов выбран участок земляного полотна Западно-Сибирской железной дороги. Земляное полотно представлено суглинком тяжелым пылеватым. Влажность на границе пластичности Жр = 0,235 д. е., на границе текучести Ж = 0,362 д. е. Мощность балластного слоя (щебень чистый) на участке составила 0,4 м, мощность защитного слоя (песчано-гра-вийная смесь) - 0,7 м.
Рис. 2. Расчетная схема для определения осадки оттаивающих сезонно-мерзлых грунтов
земляного полотна:
Ср - временные динамические напряжения от поездных нагрузок, кПа; овс - постоянные статические напряжения от веса верхнего строения пути, балласта и защитного слоя, кПа; оу - постоянные статические напряжения от собственного веса вышележащего грунта насыпи, кПа
Для рассматриваемого участка земляного полотна в соответствии с климатическими параметрами и теплотехническими характеристиками грунтов был проведен расчет сезонного промерзания с целью определения мощности грунтов земляного полотна, попадающих в деятельный слой. Таким образом, глубина сезонного промерзания составила:
1,99
= 1,99 + 0,4| 1 -
+ 0,7 1 -
1,99 3,58
2,93
= 2,43 м.
Мощность грунтов земляного полотна, попадающих в деятельный слой, составляет 1,33 м.
Грунты земляного полотна разбиты по глубине на пять слоев мощностью 0,2 м и один слой мощностью 0,3 м. Глубина расположения середины /-го слоя принята относительно подошвы шпалы.
Изменение природной влажности грунта по глубине при оттаивании принято по результатам испытания отобранных образцов в лабораторных условиях и приведено на рис. 3. По результатам компрессионных испытаний при оттаивании построены графики зависимости относительной деформации образца от нагрузки, представленные на рис. 4. Общий вид испытания образцов грунта в морозильной камере отражен на рис. 5.
Далее выполнены расчеты и построен график изменения осадки во времени при оттаивании сезонно-мерзлого грунта (рис. 6).
Анализируя график (см. рис. 6), можно наблюдать затухание осадки при полном оттаивании. Стабилизированная осадка при оттаивании сезонно-мерзлого грунта земляного полотна на рассматриваемом участке составит 83 мм.
Для определения наиболее неблагоприятных эксплуатационных условий по выполненным расчетам построен график изменения скорости осадки во времени при оттаивании сезонно-мерзлого грунта (рис. 7).
Анализируя рис. 7, можно наблюдать экстремум на графике, который свидетельствует о наличии некоторого неблагоприятного периода, в который происходит резкое снижение физико-механических характеристик грунтов земляного полотна в зоне сезонного промерзания.
Поскольку процесс протекания осадок оттаивающих грунтов не завершается непосредственно при их оттаивании, а длится некоторое продолжительное время (в момент постепенного оттаивания вода может отжиматься лишь в балластный слой и частично в сторону), наиболее неблагоприятным условием для эксплуатации является частичное оттаивание грунтов деятельного слоя земляного полотна.
Учитывая, что проведенные исследования и расчеты доказали наличие периода, в течение которого земляное полотно находится в наиболее неблагоприятных условиях, рекомендуется выполнять проектирование именно на данный период. В этом случае нормативные и расчетные прочностные и деформационные
Глубина, м
1 1,2 1.4 1,6 1,8 2 2,2 2,4
0,270- /
1 0,308
1 0.325 Г 0,329
0,348
' 0,369
Рис. 3. Изменение природной влажности при оттаивании по глубине в период наибольшего сезонного промерзания
0,180
о.ооо 4—------
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
Вертикальное давление, МПа
Рис. 4. Относительные деформации образцов грунта под нагрузкой при испытании на оттаивание
Рис. 5. Компрессионные испытания образцов грунта при оттаивании
характеристики грунтов необходимо назначать с учетом избыточной влажности после промерзания. Эти характеристики следует определять в лабораторных условиях по стандартным методикам, но при оттаивании грунтов после предварительного направленного промораживания. Режим промораживания (температурный градиент, скорость промерзания, интенсивность капиллярного водонасыщения и т. д.) должен соответствовать климатическим условиям участка проектирования.
Заключение
Для установления наиболее неблагоприятных эксплуатационных условий (весенний период при частичном оттаивании грунтов зем-
ляного полотна) разработана одномерная модель оттаивающих сезонно-мерзлых грунтов земляного полотна (см. рис. 1), в которой мощность оттаявшего слоя Н^л изменяется в соответствии с фазами послойного оттаивания и рассматривается поочередно.
Предложена расчетная схема (см. рис. 2) для определения осадки оттаивающих се-зонно-мерзлых грунтов земляного полотна во времени по схеме линейно-деформируемого слоя, конечной границей которого является глубина протаивания.
Выполнено численное моделирование по предложенному подходу к определению неблагоприятных эксплуатационных условий
на примере участка земляного полотна Западно-Сибирской железной дороги.
Наиболее неблагоприятным условием для эксплуатации является частичное оттаивание грунтов деятельного слоя земляного полотна. Поскольку данное условие носит временный характер, возможно выделить неблагоприятный период, на который и следует выполнять расчеты земляного полотна. При этом нормативные и расчетные прочностные и деформационные характеристики грунтов рекомендуется назначать с учетом избыточной влажности после промерзания.
Применение рассматриваемой модели и полученных результатов в дальнейшем позволит более углубленно проанализировать опасный период, в который возможна потеря устойчивости откосов и стабильности основной площадки земляного полотна, в том числе на сложных участках - в зоне сопряжения с искусственными сооружениями. Для решения данной проблемы уже разработаны мероприятия по устранению таких деформаций инъекционными способами усиления грунтов земляного полотна [11-13].
Библиографический список
1. Алтынников Д. С., Ковенькин Д. А. Анализ деформаций железнодорожного пути научастках подходов к металлическим мостам с безбалластным мостовым полотном на Восточно-Сибирской железной дороге // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2017. № 4 (56). С. 176-183.
2. Инструкция по содержанию земляного полотна на железных дорогах ОАО «РЖД». М., 2011. 189 с.
3. Цытович Н. А. Механика мерзлых грунтов : учеб. пособие. М. : Высш. шк., 1973. 446 с.
4. Ашпиз Е. С., Вавринюк Т. С. Расчет деформаций насыпей в районах мерзлоты II Мир транспорта. 2016. № 3. С. 102-107.
5. Lanis A., Razuvaev D. Systematization of features and requirements for geological survey of railroad subgrades functioning in cold regions II Sciences in Cold and Arid Regions. 2018. Vol. 9, № 3. P. 205-212.
6. Modeling the operation of road pavement during the thawing of soil in the subgrade of highways / A. Isakov [et al.] IIMATEC : Web of Conferences. EDP Sciences. 2018. Vol. 239. P. 05001.
7. Исаков А. Л., Ким Хюн Чол. Теплофизическая дискретная модель промерзания грунта земляного полотна II Транспорт Урала. 2012. Вып. 2 (33). С. 121-124.
8. Ашпиз Е. С. Земляное полотно в условиях многолетнемерзлых грунтов северного широтного хода II Путь и путевое хозяйство. 2021. №. 3. С. 22-25.
9. СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88 (с изм. № 1). М. : НИИОСП им. Н. М. Герсеванова, 2012. 117 с.
10. Михайлов Г. Д. Исследование влияния промерзания-оттаивания на механические свойства глинистых грунтов и устойчивость железнодорожных насыпей в Сибири : дис. ... канд. техн. наук. Новосибирск, 1968. 187 с.
11. Ланис А. Л. Результаты моделирования эксплуатируемых насыпей при напорном инъектировании твердеющих растворов II Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2018. № 3. С. 43-50.
12. Ланис А. Л., Овчинников С. А. Усиление грунтов земляного полотна армирующими конструкциями II Тр. IX Междунар. конф. «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». М. : Моск. гос. ун-т путей сообщения, 2012. С. 111-113.
13. Усов Д. А. Моделирование участков переменной жесткости перед искусственными сооружениями II Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2021. № 1. С. 79-85.
A. L. Lanis, D. A. Razuvaev, D. A. Usov
Influence of Thawing Soils on the Deformation Top of Subgrade
Abstract. Determining the most unfavorable operating conditions are one of the most important tasks when designing a new railway line or renovating an existing one. Probably the most unfavorable operating condition is
the spring period, when the soil under the ballast layer thaws only to a certain depth, and frozen soil remains below, due to water logging its strength and deformation characteristics are the smallest. The change in the strength and deformation characteristics of soils during thawing is the main reason for the change in the stress-strain state of the active layer of the subgrade.
The article provides a brief analysis of studies that consider soil thawing. An approach is proposed to determine the most unfavorable operating conditions (spring period with partial thawing of the subgrade soils). A one-
dimensional model of thawing seasonally frozen soils of the subgrade is proposed, in which the thickness of the thawed layer changes in accordance with the phases of layer-by-layer thawing. A calculation scheme has been developed to determine the settlement of thawing seasonally frozen soils of the subgrade in time according to the scheme of a linearly deformable layer, the final boundary of which is the thawing depth.
Numerical modeling was carried out according to the proposed approach for a section of the West Siberian Railway roadbed, with laboratory tests of soils for compression during thawing. Graphs of changes in physical and mechanical characteristics in depth, a graph of precipitation in time during thawing of the seasonally frozen soil of the subgrade have been built.
Based on the results of numerical modeling, an unfavorable period was identified when there is a sharp decrease in the physical and mechanical characteristics of the subgrade soils in the zone of seasonal freezing, which indicates the most unfavorable conditions for operation.
The article proposes to carry out design for the most unfavorable period, while the normative and calculated strength and deformation characteristics of soils are recommended to be assigned taking into account excess moisture after freezing.
Key words: subgrade; thawing of ground; model; settlement of ground at thawing; seasonally thawed layer.
Ланис Алексей Леонидович - доктор технических наук, профессор кафедры «Геотехника, тоннели и метрополитены» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: alangeo@bk.ru
Разуваев Денис Алексеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Изыскания, проектирование и постройка железных и автомобильных дорог» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: razdenis@mail.ru
Усов Дмитрий Андреевич - аспирант кафедры «Геотехника, тоннели и метрополитены» Сибирского государственного университета путей сообщения. E-mail: usovda96@ya.ru
