CC BY
42
УДК 69
РС! 10.21661/Г-464080 С.Я. 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.
I 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 of permafrost 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.
А ктуальность темы обусловлена ростом /I строительства объектов в зоне распростра-.А. -Л*, нения 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.
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 желез-
нодорожной 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.
На 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-галечниковый грунт) в верхней части 3П предусматривается толщиной 1,0 М. Под низ защитного слоя укладывается нетканый геотекстиль. Заложение откосов насыпи 1:1,75;
- на участках подтопления, болотах и в выемках: песок средней крупности.
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 с высокотемпературной мерзлотой для уменьшения термокарстовых процессов в основании насыпи предусматривается обжатие мохово-растительного 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 Необходимо произвести расчеты по формулам из учебного пособия «Расчеты и проектирование железнодорожного пути» под редакцией д-ра тех. наук, проф. В.В. Виноградова [5].
Расчет нагрузок деятельного слоя и насыпи, соответственно:
Рд.с. = удс. хйд.с. = 19,4 х 1,06 = 20,564 кН/м2, где удс. - удельный вес деятельного слоя; йдс. - мощность деятельного слоя.
^нас = 7нас *^нас = 18,5 X 3,4 = 64,6 кН/м2, где унас - удельный вес насыпи; йнас - мощность насыпи.
рд.с. _ Сд|С. xctgУдс.) +yh = .
3.14X18X3.27
Рт = . 1 кр
+ ' 3.27+0.296-1.57
73. 312 кН/м2, где Сдс . - сцепление деятельного слоя; <рд.с. - угол внутреннего трения деятельного слоя.
Примечание: так как мы рассматриваем точку в самой вершине деятельного слоя, то hd.c.=0, а, следовательно, и произведение уй = 0, поэтому они и пропадут в расчете критической нагрузки на деятельный слой.
n(yh + Ст xctgcpT)
—---~ + Yh
ctgq>T + — 2 = 3,14 х (19,4 х 1,06 + 11 х 5,14)
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]: iT = ртр + ^ВСП + ^нас = 18,7 + 1,84 + 64,6 = 86,14 кН/м2
^ЭТ = ^тр + ^ВСП + ^нас + ^д.с.
= 17,93 + 1,312 + 64,6 + 31,43 = 115,27 кН/м2 Расчет нагрузок от подвижного состава и от ВСП производится по формуле [5]:
^всп/тр ^всп/тр *^всп/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 1
Физико-механические характеристики грунтов основания
а
ант
е ме
е л э
8
огк
с е
г о л о
ег -
о
н р
е н е
е и
с и п О
ь
л е теа
азаок
о По
.е д.
£
н н е в т с е т с е ь т с о
л В
Плотность
о Рч"
а
ант
у
гр
ц
и т с а
V
О 1н
Л
а
ант
у гр
л В
О |н
а
ант
у
гр
8
огх ухС
Пластичность
.е д.
ч учк
е т
а На
.е
(д.
¡н
ас р
а На
.е д.
т с
лас
п о л с и
V
.е д.
и т с е
ч учк
е т ь л е теа
азаок
о По
м
и
и ц
а
ам р
о ф
е д
ь
л
лду доМ
е и н е л п
е ц
С
&
-<£ я и н
е р
т 8
е н н
е рет
нут
в
л
I
Суглинок мягкопластичный
нормативное значение
0,300
2,69
2,03
1,85
0,34
0,19
0,15
1,28
10,00
0,018
17
Таблица 2
Значения напряжений от внешних эксплуатационных нагрузок по глубине
У , , м всп/тр' Точки сеч-я У /Ь тр тр У /Ь всп всп I тр I всп б , кН/т2 тр б , кН/т2 всп
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
Рвсп 16 Нагрузка от ВСП
Рп 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)
______р 41(11
1
1
1
1
1
■ 3 'Л
5? 1
с 1 (г-лмышн
«ч ■ {.11Ш
я 1 ■г_______
Я ЕЕ 5 ммг
<1
с \ . . . 1
Рис. 1. Эпюра напряжений от ВСП
r T~1"t-\
IlltUlL ■S5>
ч
f 1 ¥ i
'I 1 —
\ n ! ?
1
. — -----
ft ■■■«■■■■■опоаанаш 1 tttbiii
f
7
4
kmr
! -t ! 1 ! ! 1 ■ ■ : 1 1____i .... i.........
Рис. 2. Эпюра напряжений от транспортной нагрузки
Коэффициент безопасности талика [3]:
Расчет коэффициентов безопасности: Коэффициент безопасности деятельного слоя [3]:
= = 64,386 3 РТ 115,27
= = ^ = 0,851
без
86,14
где КбдС коэффициент безопасности деятельного слоя, Рдр - критическая нагрузка, воспринимаемая деятельным слоем (кН/м2), Рдс- эксплуатационная нагрузка, действующая на деятельный слой (кН/м2).
где КТез - коэффициент безопасности талика; РКр -критическая нагрузка, воспринимаемая таликом (кН/м2); РТ - эксплуатационная нагрузка, действующая на талик (кН/м2).
После расчета в ручную мы проверяем ту же насыпь в программных комплексах <^Е05» и «Р1ах1Б».
п гг. i.a id те шп аж б.» мля it* «№
iil«Jiiji1iIiiLiJijIiiijIilijEjiilIjil,1jiIiIljJiLlj1jJil,jJii,lLjJilLjJii[l,jjIl,j|Ilil,Jjii
■■ЯР-
■ifi;
Г М ЛI d Г Л Ж [1Л Dt \
tihmi UW |«,3;Т|Э' л
н
luoamc
!ПШ
вл — ноошл
Рис. 3. Расчет смещения земляного полотна в программном комплексе Р1ах1э
Рис. 4. Деформированное состояние насыпи показанное в программном комплексе Р1ах1з
Рис. 5. Изменение коэффициента стабильности со временем после процесса консолидации
Calculation information
Multipliers]] Additional Info | Step Info |
-Step Info-
Step
Plastic STEP
346 of 346
"Multipliers-
Extrapolation factor Relative stiffness
lr000 0,000
Incremental multipliers Total multipliers
Prescribed displacements Mdisp: 0,000 S-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 Mweight: 0,000 E-Mweight: 1,000
Acceleration Maccel: 0,000 E-Maccel: 0,000
Strength reduction factor Msf: 0,000 Г E-Msf: 1,333
Time Increment: 0,000 End time: 733,067
Dynamic time Increment: 0,000 End time: 0,000
Рис. 6. Расчет коэффицента стабильности в программном комплексе Р1ах1з Интерактивная наука | 10 (20) • 2017
Рис. 7. Расчет коэффициента устойчивости в программном комплексе GEO5
Подробнее результаты
Проверка устойчивости откоса (Шахунянц)
Коэфф, запаса = 0,85 < 1,50 Устойчивость откоса НЕ ПОДХОДИТ
Рис. 8. Расчет Коэффициента устойчивости в программе GEO5
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.
Литература
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 № МО 437).
2. Ведомственные строительные нормы ВСН 84-89 «Изыскания, проектирование и строительство автомобильных дорог в районах распростране-ния вечной мерзлоты» (утв. письмом Министерства транспортного строительства от 13 марта 1989 г. № АВ-110)
3. Луцкий С.Я. Рекомендации по интенсивной технологии и мониторин-гу 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 фун-даменты на вечномерзлых грунтах». Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88 (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.
