676

Влаборатории кафедры «Основания, фундаменты, инженерная геология

игеодезия» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова послеприготовления образов грунта нарушенного сложения и выявления их оптимальной влажности были проведены работы по введению стабилизаторов.

Влабораторных условияхдля модуляцииестественного (подобно природному процессу во времени), наиболее неблагоприятного, условия промерза- ниягрунтабылаустановленатемпература–4°С(спогрешностью ±0,9…1°С). Всего для замораживания образцов грунта применялось по два-три цикла замораживания, чередующихся с циклами оттаивания.

Образцы погружались в прибор пучения, а затем в установку ОСПГ-1. На основании полученных данных грунт охарактеризовался по степени пучинистости. Было проведено более десятка опытов по исследованию пучинистости грунтов: испытывали образцы естественного сложения, нарушенного сложения, образцы с введением стабилизаторов Solidry, Consolid, Screpton.

При проведении опытов были использованы образцы грунта с автомобильной дорогиБийск—Соколово—Акутихаиз дорожной насыпис глубиной 1–2 м. Грунт насыпи представляет собой суглинок полутвердый.

По итогам испытаний были построены графики зависимости величины вертикального перемещения грунта от времени (рис. 1). Далее представлены некоторые наглядные опыты.

Рис. 1. График зависимости величины вертикального перемещения грунта от времени:

––– образец грунта со стабилизаторами с пригружением,

- - - образец со стабилизаторами без пригружения

21

Опыт проходил в следующей последовательности: образцы насыщались до оптимальной влажности с введением стабилизаторов Consolid и Solidry по 2 % от массы грунтаи уплотнялись.Затем образцы помещались в эксикаторы и выдерживались в течение 7 сут в воздушно-капельном состоянии. Далее образцы помещали в прибор морозного пучения и испытывали согласно методике ГОСТ 28622–90. Один из образцов нагружался пригрузами. По итогам испытаний: относительная деформация составила 0,004 — образец грунта c добавкой нагружаемый грузом, взятый с глубины 2 м. По ГОСТ

28622–90 такой грунт классифицируется как непучинистый. Образец грунта со стабилизаторами, без пригруза — относительная деформация соствила 0,01. Таким образом, данный грунт является слабопучинистым.

Опыт,врезультате которогобыли построены графики,представленные на рис. 2, проходил в схожей последовательности с опытом, представленным на рис.1. Отличиезаключаетсявиспользованиигрунтас глубины1 м.Поитогам испытаний относительная деформация составила 0,026 — образец грунта c

добавкой, нагружаемый грузом. По ГОСТ 28622–90 такой грунт является слабопучинистым. Образец грунта со стабилизаторами, без пригруза — деформация составила 0,058. Грунт среднепучинистый.

Также проводились циклы испытаний по исследованию стабилизаторов

Screpton.

Рис. 2. График зависимости величины вертикального перемещения грунта от времени:

- - - - образец со стабилизаторами, —— образец грунта со стабилизаторами с пригружением

22

Для опыта (график представлен на рис. 3, использовались два образца грунта с автодороги Бийск—Соколово—Акутиха из дорожной насыпи глубиной заложения теперь 1 м. Испытания грунта проводились в следующей последовательности: оба образца насыщались до оптимальной влажности с введением стабилизаторов Screpton по 250 и 175 г на 2,5 кг грунта и уплотнялись. Образцы помещались в эксикаторы и выдерживались в течение 7 сут (175 г) и 21 сут (250 г) в воздушно-капельном состоянии. По итогам испытаний:относительнаядеформациясоставила0,05 — образец грунтаcдобавкой, взятый с глубины1м.По ГОСТ 28622–90данный грунтявляетсясреднепучинистым. Образец грунта со стабилизаторами — относительная деформация составила практически 0 мм — по ГОСТ 28622–90 такой грунт классифицируется как непучинистый грунт.

Рис. 3. График зависимости величины вертикального перемещения грунта от времени:

––– образец со стабилизаторами Screpton (250 г),

- - - образец со стабилизаторами Screpton (175 г)

При проведении лабораторных исследований можносудить оследующем. Грунт при промораживании теряет структурную прочность, так как существенный подток влаги разрушает связь частиц грунта, полученную при его уплотнении.Немаловажную роль здесь играет связная вода, которая находитсяуповерхностичастицгрунта.Однакопридобавлениидобавокэтот процесс значительно замедляется, так как при введении стабилизаторов происходит деполяризация молекул воды. Грунт с введенными стабилизаторами имеет меньшее количество пор и связной воды. Также следует обратить внимание на характер промерзания образцов грунта. Грунт, который имеет в своем составе комплекс добавок, промерзает в значительной степени медленнее, чем грунт без добавок.

23

При рассмотрении образцов грунта с применением добавок и без них по результатам степени пучинистости грунт переходит от сильнопучинистого к среднепучинистому (из обобщения всех опытов), т.е. уменьшается активность пучения.

При рассмотрении образцов грунта с применением стабилизаторов с пригрузом и без него, по результатам исследования грунт переходит от чрезмернопучинистого к слабопучинистому(из обобщения всех опытов), т.е. грунт под действием пригруза менее пучинистый, чем без него.

При рассмотрении различных видов стабилизаторов в исследовательской лаборатории при моделировании естественных процессов пучения стабилизаторы показывают различную степень эффективности на одних и тех же видах грунта. Consolid и Solidry снижают степень пучения на 67 %, в то же время при тех же условиях стабилизаторы Screpton в более значительной степени нейтрализуют силы морозного пучения.

Одна из главных задач применения стабилизаторов грунта — нейтрализация сил морозного пучения и, как следствие, повышение долговечности дорожной одежды. Более защищенная от морозного пучения дорожная одежда требует меньших затрат на ежегодный ремонт. Однако себестоимость строительства автодороги сприменением стабилизаторов повышается значительным образом. Если учитывать затраты не только на строительство, но и на эксплуатацию, то применение стабилизаторов рационально оправдано. В финансовом отношении закупка сырья стабилизаторов Screpton на 74,6 %

дешевле добавок Solidry и Consolid.

Библиографический список

1.ГОСТ 28622–90. Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости / Госстрой СССР. 1990. 5 с.

2.СНиП 2.05.02–85. Автомобильные дороги / Госстрой России. 1997. 74 с.

3.Технические условия 5711-001-98983709–2007. Грунтовые смеси, обработанные добавками «Consolid444», «Solidry», «Сonservex» для автодорожного и аэродромного строительства.

4.Отчет по государственному контракту № 68-09. Разработка технического решения по введению стабилизаторов грунтов для устранения пучения земляного полотна автомобильных дорог Алтайского края. Барнаул, 2009.

5.Карлов В.Д. Основания и фундаменты на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах / Санкт-Петербургский государственных архитектурно-строительный университет. СПб., 2007. 362 с.

6.Оценка выполненных научно-исследовательских работ по воздействию пучиноопасных грунтов на эксплуатацию автомобильных дорог и задачи дальнейших исследований: Мат-лы науч.-практ. конф. 2007. Барнаул, 2008.

24

УДК 625.122+625.731.1

Г.Ф. Глинская (Сибжелдорпроект), Д.А. Ермолич (Сибжелдорпроект)

РАСЧЕТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСИЛЕНИЯ ПУТИ ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩИМИ ПОКРЫТИЯМИ

Большая часть железнодорожных путей Западно-Сибирской дороги проходит по территории Западно-Сибирской низменности, которая характеризуется сложностью физико-географических, геологических и климатических условий. Основными особенностями инженерно-геологических и климатических условий являются: равнинность территории, заболоченность, плохой поверхностный и подземный сток воды, относительное обилие атмосферных осадков; близкое к поверхности земли, особенно в пониженных формах рельефа, залегание грунтовых вод, режим которых существенно зависит от выпадения осадков. Вследствие этого значительную протяженность имеют участки сырых и мокрых оснований насыпей; повсеместное распространение пылеватых глинистых грунтов, имеющих, как правило, повышенную влажность. Консистенция глинистыхгрунтов в 27 % случаевотбора проб является мягкопластичной.

Земляное полотно Транссиба на территории Западной Сибири сооружено из местных пылеватых глинистыхгрунтов. Балластная призма до проведения усиленных капитальных ремонтов представлена асбестом (0,50–0,70 м) на песчанойподушке (до0,70м),заисключением60%протяжения четногопути на участке Омск—Называевская, где балластная призма представлена асбестом около 0,60 м без песчаной подушки. В период после постройки и до 40-х гг. пучение было повсеместным, а на некоторых участках достигало 100 мм и более.

До 1965 г., когда появилась более совершенная нормативная база по проектированию земляного полотна, задача предупреждения появления пучинных деформаций решалась очень слабо. Устройство поперечных дренажных прорезей положительного эффекта не дало.

Следует отметить, что и в настоящее время имеются противоречивые указания в нормативной литературе. Ниже приводятся некоторые из них.

В соответствии со СНиП 32-01–95 допустимая деформация равномерного морозного пучения определяется в зависимости от категории дороги, а в ЦПИ-24 — от скоростей движения и класса пути.

Кроме того, нет ясностипо определению интенсивности пучения грунтов. В соответствии с нормативной литературой составление проекта по усилению железнодорожного пути на участках с пучинами без данных двухразового нивелирования не допускается, т.е. интенсивность пучения должна быть определена только этим методом. А так как при асбестовом балласте пучин

25

практически нет, то и применить метод двойного нивелирования нельзя. Кроме того, чтобы провести двойное нивелирование, необходимо заранее получить задание от заказчика на составление проекта ремонта пути.

Чтобы разобраться в этом вопросе, нами был проведен анализ по определению интенсивности пучения глинистых грунтов земляного полотна на

18участках Транссибирской магистрали (2581–3534 км) разными методами:

1.На 18 пучинных участках Транссибирской магистрали (2581–3534 км) в 1965–1974 гг. было проведено двухразовое нивелирование пути, натурное определение глубины промерзания и инженерно-геологическое обследование грунтов земляного полотна. В результате анализа имеющейся информации определена интенсивность пучения на каждом участке.

2.Интенсивность пучения в соответствии с «Пособием по проектированию оснований зданий и сооружений (к СНиП 2.02.01–83. Основания зданий и сооружений пункты 2.133–2.137)» определяется в зависимости от: влажности в пределах слоя промерзающего грунта, соответствующей природной, на границах раскатывания и текучести, расчетной критической влажности, гранулометрического состава, плотности грунта, абсолютного значения среднезимней температуры воздуха. То есть в данном методе учтены все факторы, определяющие степень морозоопасности грунта. Метод легко поддается автоматизации, его удобно применять при больших объемах работ.

3.В соответствии с «СП 32-104–98 Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм (прил. Б, табл. Б.4)» интенсивность пучения определяется в зависимости от: влажности в пределах слоя промерзающего грунта, соответствующей природной и на границах раскатывания, плотности грунта. Гранулометрический состав и климатические характеристики не учитываются. Метод является ориентировочным.

4.В соответствии с «СП 32-104–98. Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм (прил. В, табл. В.1)» интенсивность пучения определяется в зависимости от: типа земляного полотна, типа основания, влажности в пределах слоя промерзающего грунта, соответствующей природной, гранулометрического состава и климатических характеристик. Метод основан на большом числе опытных данных, приемлем для применения при малых объемах работ, плохо поддается автоматизации.

Расчеты по определению интенсивности пучения для сравнения были сведены в таблицу, где показаны: пикетажное значение участка, тип земляного полотна, влажности в пределах слоя промерзающего грунта, соответствующие природной, на границах раскатывания и текучести, расчетной критической влажности; плотность сухого грунта и интенсивность пучения, определенная четырьмя разными методами. Все грунты представлены пылеватыми суглинками, основание сырое.

26

Интенсивность пучения, определенная нивелированиемв 1965–1974 гг., в большом числе случаев занижена, что свидетельствует о возможном пучении реперов, откоторыхпроизведено нивелирование, иодругихошибках.Сходимость данного метода с теоретическими составляет примерно 40 %.

Теоретические методы при правильном определении исходных данных дают хорошую сходимость, практически 100 %.

Врезультате анализа был сделан вывод, что принятый для работы метод

№2 учитывает всефакторы,определяющиестепень морозоопасности грунта, легко поддается автоматизации, его удобно применять при больших объемах работ, является официальным, утвержден Госстроем СССР, но не признается экспертизой проектов.

Впериод конца 40-х—начала 80-х гг. на сети железных дорог производилась повсеместная укладка асбеста. На обоих главных путях процесс пучинообразования был подавлен до допустимых пределов (20–30 мм равномерного пученияввыемкахинанизкихнасыпяхиз-заналичиягрунтовыхводиплохих водоотводов). В 1992 г. на Чулымской и Тогучинской дистанциях пути началась замена асбеста на щебень, появились пучины. При замене верхнего, как правило асбестового, слоя балласта на щебень твердых пород, с учетом теплофизических характеристик асбеста и щебня, происходит значительное увеличение глубины промерзания, степени увлажнения, разуплотнение глинистых грунтов земляного полотна. Соответственно повышается величина пучения, уменьшается несущая способность (весенние просадки пути).

Всвязи с переходом на скоростное движение, впервые на сети железных дорог, асбестовый балласт был заменен на щебеночный в 1998 г. на Называевской дистанции пути. Практического опыта и достаточного теоретического обоснования применения пенополистирола и геотекстиля не было. В первую же зиму после проведения усиленного капитального ремонта в ряде мест возникли пучины. Поэтому остро встала проблема анализа существующего состояния земляного полотна и прогнозирования послеремонтного воднотеплового режима. Поэтому в 1999–2000 гг. СГУПСом под руководством канд. техн. наук Г.К. Щепотина была выполнена научно-техническая работа по теме «Реализация мероприятий по обеспечению эффективности противопучинных устройств с осуществлением контроля за качеством проектирования и выполнения капитального ремонта пути на направлении Называевс- кая—Новосибирск». В результате выполнения этой работы были даны рекомендации по сплошной укладке пенополистирола: толщиной 120 мм на Называевской дистанции пути и толщиной 60 мм на участке Омск—Новоси- бирск. Одновременно в Сибжелдорпроекте разрабатывались проекты усиленного капитального ремонта пути. По заключению Г.К. Щепотина сравнение результатов натурных исследований глубины промерзания любого подрельсового основания с расчетными (полученными в Сибжелдорпроекте) показывали хорошее совпадение теории с практикой.

27

В процессе согласования с заказчиком у проектного института возникла необходимость проектирования мощности теплоизоляции нена полноевыведение пучинистых грунтов из зоны промерзания, а на допущение равномерного пучения. Поэтому для практического решения этой задачи в институте Сибжелдорпроект была разработана и в дальнейшем широко применена методика, основанная на расчете теплового состояния сезоннопромерзающих грунтов при одномерной теплопередаче в системе атмосфера—тепло- изоляция—грунт с образованием границ раздела фаз.

Для разработки проектов ремонта пути в Сибжелдорпроекте производится инженерно-геологическое обследование земляного полотна и теплотехнические расчеты в соответствии с требованиями действующих нормативных документов:

1.Технические условия на работы по ремонтуи планово-предупредитель- ной выправке пути. ЦПТ-51. М.: Транспорт, 1998.

2.Технические указания по устранению пучин и просадок железнодорожного пути. ЦПИ-24. М.: Транспорт, 1998.

3.Технические указания на применение пенополистирола и геотекстиля при усилении основной площадки земляного полотна без снятия рельсошпальной решетки. М., 1999.

4.Строительная климатология. СНиП 23-01–99. Стройиздат. М., 2000. При подготовке исходных данных для теплотехнических расчетов учиты-

вается природное изменение плотности-влажности грунтов в течение года, осушающее влияние существующих кюветов, водоотводных канав, которые при усиленных капитальных ремонтах реконструируются в обязательном порядке, гидроизоляционные свойства покрытий и асбестовогобалласта, при расположении его в верхнем слое. В зависимости от конструкции балластной призмы и всех вышеперечисленных факторов определяется расчетная плот- ность-влажность пучинистых грунтов, их теплофизические свойства в талом и мерзлом состояниях и интенсивность пучения.

На стадии разработки проекта производится подробный анализ продольногопрофиля иразбивкаегонарасчетныеучасткисодинаковымиусловиями, ккоторымотносятся:типземляного полотна(выемки или насыпиопределенной высоты), вид и состояние (интенсивность пучения) грунтов земляного полотна и основания, характер напластований и мощность балластных материалов, величина проектной подъемки или срезки.

Климатические параметры (среднемесячные значения: температуры, суммарной солнечной радиации, скорости ветра, влажности воздуха) принимаются в соответствии со СНиП 23-01–99. Строительная климатология, соответствующим образом обрабатываются для получения приведенных температур и термического сопротивления теплообмену для рассматриваемой поверхности, в данном случае для верха балластной призмы. Приведенные температуры и термическиесопротивленияявляютсяграничнымиусловиями

28

для расчетатеплового состояния земляного полотна. Процесссбора исходной информации частично автоматизирован.

Имеявсю исходную информацию, легко решить задачуо глубине промерзанияи, соответственно,величине пучения любого подрельсовогооснования. Результаты расчетов выдаются в табличной форме, где показаны: границы участков, вид, последовательность напластований и толщина балластных материалов, теплоизоляции, грунтов, глубина промерзания общая и глинистых грунтов, интенсивность пучения, величина пучения.

Внастоящее время анализ существующего и прогноз послеремонтного воднотеплового режима земляного полотна на Западно-Сибирской железной дороге производится по описанной выше методике.

Вмае-июне 2009 г. Сибжелдорпроектом были выполнены инженерногеологические изыскания для капитального ремонта I пути на перегонах Валерино—Колония и Колония—Каратканск (2806–2856 км). Десять лет назад на этом участке был выполнен усиленный капитальный ремонт с заменой асбестана щебень сукладкой наотдельныхучасткахгеотекстиля или пенополистирола. Покрытия укладывались по расчету в соответствии с приведенной выше методикой. На всем участке уложен бесстыковой путь.

На данном участке железнодорожный путь проходит по равнинной местности с признаками поверхностного заболачивания (Барабинская низменность). Земляное полотно представлено насыпями высотой до трех метров и нулевыми местами. Водоотвод не обеспечен. Канавы полузасыпаны загрязненным балластом, заросшие.

Грунты насыпей представлены глиной легкой пылеватой тугопластичной

спрослоями полутвердойи мягкопластичной,с примесью суглинка и органических веществ. Грунты основания насыпей представлены глиной легкой пылеватой от полутвердой до мягкопластичной консистенции, суглинком тяжелым пылеватым от мягкопластичной до текучей консистенции. Стадия водонасыщения грунтов земполотна отсредней до насыщенной. Глины сильнопучинистые. Естественное основание насыпей сырое. По данным ПЧ на всем участке пучин не отмечается, на перегоне Колония—Каратканск отмечаются балластные корыта глубиной 4–15 см и на отдельных участках выплески.

По результатам лабораторных исследований грунтов получены следую- щиеосредненныезначенияплотности-влажностигрунтовнамай-июнь2009 г. по перегонам:

Валерино—Колония (2806–2832 км): естественная влажность — 0,313, влажностьнапределетекучести—0,459,плотностьсухогогрунта—1,28 г/см3 при нормируемой плотности — 1,42 г/см3.

29

Колония—Каратканск (2832–2856 км): естественная влажность — 0,274, влажностьнапределетекучести—0,426,плотностьсухогогрунта—1,41 г/см3 при нормируемой плотности — 1,50 г/см3.

По результатам лабораторных исследований грунтов на сентябрь 1998 г. по всему участку (2807–2855 км) были получены следующие осредненные значения: естественная влажность — 0,244, влажность на пределе текучести — 0,477, плотность сухого грунта — 1,19 г/см3 при нормируемой плотно- сти-1,52 г/см3.

Несмотря на разное время года проведения изысканий (разные стадии увлажнения грунтов), из этих данных можно сделать предположение о том, что применение пенополистирола способствует уплотнению грунтов.

По полученным данным определяются необходимые для расчетов теплофизические характеристики грунтов. Кроме того, делается вывод, что грунты земляного полотна, находящиеся в зоне промерзания-оттаивания, имеют высокую влажность и находятся в разуплотненном состоянии, что снижает несущую способность основной площадки земляного полотна. Поэтому в проектах, кроме определения глубины промерзания, обязательно выполняется расчет по несущей способности основной площадки по методике, приведенной в нормативной литературе. Окончательное решение по конструкции защитного слоя принимается на основании этих двух расчетов. Так, при недостаточной мощности защитного слоя по несущей способности и невозможности ее увеличения до расчетного значения может быть принято решение о полном выведении пучинистых грунтов земляного полотна из зоны промерзания.

Ниже приводится подробная информация о программе Лед-1А.

Всоответствии с п. 7.1 ВСН 61–89 «Ведомственные строительныенормы. Изыскания, проектирование и строительство железных дорог в районах вечноймерзлоты»*дляколичественнойоценкитепловоговзаимодействиятранспортных сооружений с вечномерзлым грунтом могут быть применены программы, разработанные ЦНИИСом, в том числе СибЦНИИС и Тындинской мерзлотной станцией.

Первой из перечисленных программ названа программа Лед-1, которая в соответствии с п. 5.4 СТН Ц-01–95 «Железные дороги колеи 1520 мм» наиболее подходит для определения глубины сезонного промерзания-оттаи- вания земляного полотна по оси пути. Лед-1 (одномерная задача) — для прогноза температурного режима грунта при переменных вовремени условиях теплообмена на его поверхности.

Алгоритм Лед-1, реализующий метод решения дифференциальных уравнений теплопроводности применительно к расчету процессов промерзания и оттаивания грунтовых оснований, был впервые предложен Ю.С. Палькиным в 1966 г. (№ госрегистрации 81004462). В 1969–1975 гг. этот метод прошел широкуюапробациюприпрогнозетепловогосостоянияпроектируемыхтранс-

30