676

портных объектов — земляного полотна, зданий, мостов, водопропускных труб на железнодорожных линиях Сибири и востока страны.

В1981 г. этот алгоритм был усовершенствован (Лед-1А), была реализована возможность автоматического выбора теплофизических параметров грунтов и изменения их среднегодовых температур при нарушении многолетних условий теплообмена на поверхности.

В1999 г. Сибжелдорпроекту потребовался инструмент для количественной оценки процессов пучинообразования на железных дорогах. На основе усовершенствованногооригинального алгоритма в1999–2000 гг. быларазработана программа Лед-1А с учетом современных требований к программному обеспечению:

• удобный графический интерфейс;

• автоматизация процесса подготовки исходных данных (возможность использования встроенной базы данных по грунтам и климатическим параметрам минимизируют процесс ручного ввода информации);

• возможность сохранения исходных данных и полученных результатов расчета для повторной загрузки;

• наличие контекстно-зависимой справочной системы;

• встроенная система диагностики ошибок;

• возможностьэкспортаисходныхданныхирезультатоврасчетавMicrosoft Excel для проведения расширенного анализа и распечатки;

• встроенная система построения графиков для визуального анализа результатов расчета.

Программа позволяет учесть:

• любые напластования разнородных материалов и грунтов;

• начальную фазовую разнородность (мерзлый, талый, промерзающий, оттаивающий грунт — при любом количестве фронтов промерзания);

• наличие различной теплоизоляции (искусственной или естественной — снег, пенополистирол, шлак, асбест и т.п.);

• изменение температуры поверхности с любой детальностью во времени;

• возможность автоматического назначения теплофизических характеристик грунтов;

• возможность задания известных теплофизических характеристик грунтов в качестве исходной информации;

• возможность многолетнего изменения температуры грунта по всей глубине исследуемого массива, включая нижнюю его границу;

• возможность вывода результатов на печать с любой детальностью во времени.

Врезультате расчета определяется:

• количество теплоты фазовых переходов,по которым можно с точностью до сантиметра определять положение нулевой изотермы;

31

•температура в центрах блоков;

•значение температуры на глубине нулевых годовых амплитуд (при задании достаточной суммарной глубины всех слоев и расчете при постоянном тепловом потоке снизу).

Математическая основа моделирования

В основе алгоритма лежит численное решение системы нелинейных дифференциальных уравнений теплопроводности при одномерной теплопередаче с использованием метода конечных разностей с применением явно-разно- стной и неявно-разностной схем.

В качестве начального условия принимается известное или предполагаемое изменение температуры грунта по глубине в начальный момент времени.

Граничные условия

На поверхности задается известное (например, по данным метеонаблюдений) изменение температуры дневной поверхности (среднемесячные значения) и сопротивлений теплообмену.

На глубине граничные условия могут быть двух типов: а) при постоянстве температуры нижнего блока, б) при постоянстве теплового потока.

Исходная информация,относящаяся ктеплофизическимхарактеристикам материалов и грунтов, задается известными значениями объемной теплоемкости, коэффициентатеплопроводности грунта или материала и количеством теплоты фазовыхпереходов,выделяемым при замерзанииводы или поглощаемым при оттаивании льда.

Смоментаразработкипрограммы ипо настоящее времяпри проектировании усиленных капитальных ремонтов и реконструкции пути на ЗападноСибирской, Красноярской, Куйбышевской и Южно-Уральской железных дорогах в большом объеме выполняются теплотехнические расчеты для определения глубины промерзания земляного полотна (объема теплоизолирующих материалов).

В процессе расчетов подтвердилась высокая сходимость результатов расчетов с рекомендациями нормативной литературы, в частности с графиками В.1, В.2, В.3 — СП 32-104–98. Проектирование земляного полотна железных дорог колеи 1520 мм.

32

Раздел 2. ДИАГНОСТИКА И ВОПРОСЫ УСИЛЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

УДК 624.139.2

А.В. Балаклиец (ЗабИЖТ-ТрансПроект)

О НЕОБХОДИМОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ ДЕГРАДАЦИИ ОСТРОВНОЙ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ В ЗАБАЙКАЛЬСКОМ КРАЕ

Разработка и освоение природных ресурсов Восточной Сибири, в частности Забайкальского края, имеет важное значение для развития народного хозяйства и экономики России. Из-за сложных природно-геологических условий, а также слабой изученности криогенных процессов в слое сезонного промерзания и оттаивания в данном регионе, строительство зданий и сооружений может повлечь за собой увеличение сроков строительства, а также дополнительные затраты на ремонт и восстановление.

В результате многолетних наблюдений за состоянием объектов строительства в Забайкалье были обнаружены следующие факты: некоторые здания и сооружения деформируются от морозного пучения и зимой и весной, а от осадокпри ихоттаивании — осенью. Этопотребовало выяснения природы криогенных процессов, обусловленных именно особенностями режима теплообмена в данном регионе.

Температурный режим в Забайкалье формируется под влиянием холодных областей севера и особенно северо-востока Сибири, центральных азиатских пустынь и юго-восточных муссонов тихоокеанского происхождения. Это обуславливает формирование весьма низких температур в приземном слоеатмосферы.Продолжительность зимы около170 сут. Средний месячный минимум по региону составляют –24,2…–40,9 °С. Зимние осадки ничтожно малы. В центральных и восточных районах Забайкальского края высота снежного покрова не превышает 200–220 мм на защищенных от ветра участках поверхности и 50 мм на не защищенных, а в южных степных районах —

40–50 мм.

Максимальная амплитуда колебаний температур воздуха равна 69–98 °С, и по классификации В.А. Кудрявцева климат Читинской области относится к особо резко континентальному. В геокриологии эту территорию называют районом глубокого сезонного промерзания пород.

Сезонное промерзание в этом регионе носит индивидуальный характер, обусловленный уникальным сочетанием природных факторов. Глубина сезонного промерзания достигает 4,5 м, а продолжительность периода охлаждения пород составляет около полугода.

33

Исследования (проведенные И.И. Железняк и Р.М. Саркисян) показали, что криогенные процессы в некоторых районах Забайкалья отличаются от известных законов охлаждения и промерзания грунтов. Эти отличия формируют необходимость индивидуального исследования и подхода для разработки методов регулирования криогенных процессов в Забайкалье.

ВРоссии существуетбогатый опыт управленияпромерзанием грунтов для соседних сЗабайкальемрегионов, нодляЗабайкальяэтотвопросподробно не рассмотрен ни в теоретическом, ни в практическом плане.

Экспериментальные и теоретические исследования глубокого сезонного промерзания грунтов обнаружили два источника холода — зимнего и накладывающегося на него во второй половине зимы весеннего гигрогенного. Зимний источник холода — тело низкой температуры, весенний источник — тело повышеннойгигроскопичности, вконтакте с которым влагосодержащие тела охлаждаются, отдавая собственное тепло на парообразование в них влаги. Это основные внешние факторы охлаждения грунта, ограничением которых может быть достигнуто управление процессом промерзания, что будет способствовать переведению района из категории особой сложности в категорию обычной сложности.

ВЗабайкальском крае Транссибирская магистраль проходит по участкам, на которых наблюдается наличие островной вечной мерзлоты с разной мощностьюи глубинойзалегания. Зоны сплошной вечноймерзлоты наблюдаются на Талданской, Ерофей-Павловичевской, Сковородинской и Магдагачинской дистанциях пути. На этих участках наблюдаются преимущественно осадки. Эти участки испытывают различного рода деформации и являются проблемными. Постоянные восстановительные и выправочные работы на этих участках требуют дополнительных средств. Примером может служить постоянная деформация земляного полотна на перегоне Туринская—Карымская (ЗабЖД) 6277–6278 км, так называемый «золотой» километр. Постоянные деформацииотмечаются тамс 1949 г., ежегодновводятсяограниченияскоростей движения поездов (до 40 км/ч, а иногда и до 15 км/ч), проводится до восьми ремонтов участка в год, но состояние его не улучшается. Именно поэтомувопрос регулирования деградации островной вечной мерзлоты играет особо важную роль для организаций, обслуживающих железную дорогу в Забайкалье.

Сооружение земляного полотна в районах с вечной мерзлотой имеет ряд характерных особенностей, связанных с протекающими при оттаивании и промерзании процессами. Наибольшее влияние на строительство и эксплуатацию оказывают: морозное пучение, термокарст, наледи, мари и бугры пучения.

Для предотвращения возникновения осадок земляного полотна, вызванных деградацией мерзлых грунтов, необходимо применять противодеформационные мероприятия. Однако, как показывает опыт последнего строитель-

34

ства в Забайкалье и соседних регионах (БАМ), большинство таких мероприятийнедает должногорезультата:например,общаяпротяженность деформирующихся мест в 1991 г. составила почти 1/3 всей длины (БАМ). Осадки главным образом из-за деградации вечной мерзлоты в основании насыпи составляютоколо60–70 %протяженностивсехдеформационныхмест(БАМ). Также прослеживается очень сильная зависимость между недостаточной высотой запроектированной насыпи и количеством участков деформаций на вечномерзлом основании.

Сооружение земляного полотна в зимний период не решает проблему, а лишь на некоторое время (3–4 года) задерживает процесс деградации вечной мерзлоты под насыпью. Плохо показали себя и конструкции насыпей, предназначенные(засчет значительногоуширения основной площадки и наличия двухсторонних берм) к длительным осадкам.

Почти на всем протяжении БАМ проходит по вечной мерзлоте. Сплошная мерзлота охватывает участок от Северо-Муйского хребта до хребта ДусеАлинь. На остальном протяжении имеется островная вечная мерзлота. Климат района резко континентальный, холодный, зима — продолжительная, суровая, малоснежная. Лето — короткое, жаркое. Амплитуда суточного колебания воздуха в течение года превышает 30 °С.

Помимо распространения вечной мерзлоты на участках БАМа строители встретились с солифлюкцией, курумами, скальными россыпями, осыпями, оползнями, селями и снежными лавинами. Аналогичные процессы, но меньшими объемами наблюдаются и в Забайкальском крае.

Как видно из упрощенной характеристики районов, Транссиб и БАМ имеютпохожиеприродно-геологическиеусловия.Следовательно,меры,пред- принятые для предотвращения неблагоприятных криогенных процессов на БАМе, которые оказались безуспешными, могут оказаться такими же для Забайкальской железной дороги. Поэтому после выполнения инженерногеокриологического обоснования изысканий в данном регионе нужно разрабатывать и применять принципиально новые индивидуальные методы регулирования процессов промерзания-оттаивания и деградации вечной мерзлоты. При строительстве новых железных дорог — более тщательно подбирать тип земляного полотна, основываясь на криогенных процессах данного региона,проектироватьпреимущественнонасыпямиустановленнойвысоты,опять же подбирая индивидуально для данного региона, применять соответствующие грунты, а при ремонтах и восстановлении существующих дорог применять передовые методы, прошедшие проверку и показавшие свою способность к увеличению прочности и устойчивости земляного полотна.

Среди множества сходств районов и природно-геологических условий Транссиб и БАМ все же имеют различие и довольно весомое различие. Транссиб был введен в эксплуатацию в 1916 г., а БАМ — в 1989 г. Согласно [5] Транссиб уже давно прошелтри этапаосадок — эксплуатируется более 25

35

лет, а БАМ только проходит 3-й этап — эксплуатируется 20 лет. Поэтому сравнение линий по величине осадок и пучения не проводится.

Несмотря на то что в настоящее время имеется огромное множество современных диагностических средств выявления состояния земляного полотна и сооружений в условиях вечной мерзлоты, без привязки к данным обычного инженерно-геологического бурения осуществлять прогноз его состояния практически не получается.

Широкое распространение в нашевремя получили геофизические методы мониторинга и контроля земляного полотна. К геофизическим методам относятся: георадиолокационный, сейсмический, метод элетроконтактного динамического зондирования. Инженерно-геологическое бурение и проходка шурфов нарядус геофизическимиметодами позволяют комплексно получить все необходимые физико-механические свойства грунтов.

Опыт использования инженерно-геологических методов диагностики одновременно с геофизическими методами показывает, что затраты на диагностикуи обследованиеземляногополотназаметносокращаются, однакослишкомредкоеназначениескважин(через 200–300 м)имееттенденцию пропуска ослабленных мест. Поэтому целесообразно в этом вопросе придерживаться золотой середины; геофизические измерения использовать при геологическом бурении нереже чем через 100–150 м и обязательно назначать скважины в неоднородных местах, выявленных геофизическими методами. Геофизические методы также позволяют проводить измерения там, где проведение геологического бурения невозможно по техническим причинам: наличие контактного провода, подземных коммуникаций, габарит строения, ЛЭП и др.

Множество проблемных мест на железных и автомобильных дорогах в Забайкалье до сих пор не ликвидированы, а деформации на этих участках и увеличение эксплуатационных затрат продолжается. Очевидно, что целесообразно на этих участках назначить комплексное детальное диагностирование земляного полотна с применением геофизических методов, которое позволит выявить основные причины возникновения деформаций и правильно назначить противодеформационные мероприятия.

ВнастоящеевремявЗабайкальском краеведутсяработы по строительству новой железнодорожной линии Нарын—Лугокан и уже возведено более половины трассы. В отличие от Транссиба, который имеет широтное простирание, Нарын—Лугокан имеет простирание по долготе, следовательно, на некоторых участках линии возможно появление не только островной, но и сплошнойвечноймерзлоты.Былили проведеныболеедетальныеинженерногеологические изыскания с использованием геофизических методов и будут ли запроектированные мероприятия по предотвращению деградации вечной мерзлоты эффективными на вновь построенной железной дороге, или эта линия станет вторым БАМом, покажет только время.

36

Библиографический список

1.Железняк И.И., Саркисян Р.М. Методы управления сезонным промерзанием грунтов в Забайкалье. Новосибирск: Наука, 1987.

2.ЖинкинГ.Н., ГрачевИ.А. Особенности строительства железных дорог в районах распространения вечной мерзлоты и болот. М., 2000.

3.Вопросы надежностипути в условияхсуровогоклимата: Межвуз.сб. науч. тр. Хабаровск,

1999.

4.Вопросы надежности пути и транспортных сооружений в суровых климатических условиях: Межвуз. сб. науч. тр. Хабаровск, 2004.

5.Жданова С.М., Дыдышко П.И. Усиление земляного полотна на оттаивающих вечномерзлых грунтах. Хабаровск, 2005.

6.Пяженцев Я.В., Пупатенко В.В. Анализ методов диагностирования железнодорожного земляного полотна // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в ХХI веке: Мат-лыВсерос. науч.-техн. конф. с международным участием.Т. 2. Хабаровск, 22–24 апр. 2009. Хабаровск, 2009. С. 34–37.

7.Стоянович Г.М., Пупатенко В.В., Сухобок А.Ю. Контроль качества строительства насыпей на слабом основании геофизическими методами на участке Кузнецово, Находка— Хмыловский // Особенности проектирования и строительства железных дорог в условиях Дальнего Востока: Межвуз. сб. науч. тр. Хабаровск: ДВГУПС, 2009. С. 180–189.

УДК 625.12.033.37+625.122

С.А. Кудрявцев (ДВГУПС),

Ю.Б. Берестяный (НВП «ДВ-Геосинтетика»), Е.В. Федоренко (НВП «ДВ-Геосинтетика»), Т.Ю. Вальцева (НВП «ДВ-Геосинтетика»), Р.Г. Михайлин (НВП «ДВ-Геосинтетика»)

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ УСИЛЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЭФФЕКТИВНЫХ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Строительство линейных транспортных сооружений непосредственно связано с возведением земляного полотна в различных инженерных и климатических условиях территории России.Многообразие таких условий рождает потребность в применении современных методов проектирования и строительства. Проектировщикам и строителям приходится сталкиваться с серьезными вопросами геотехники и геокриологии. Это связано с тем, что сегодня дороги нужны уже и в труднодоступных территориях, где раньше отсутствовали технические возможности их постройки.

Споявлением современныхстроительных технологий,программныхкомплексов и новых материалов это стало возможным. Однако нормативная документация, регламентирующая их применение, в подавляющем большинстве отсутствует. Существующие в отдельных строительных областях отраслевые нормы, как правило, узконаправленны и, при слабой изученности вопросов, не имеют статуса для широкого практического использования.

37

Лабораторные исследования выполнены в рамках целевой программы строительства новой железнодорожной линии на вечномерзлых грунтах в России — Республика Саха (Якутия) на участке «ледового комплекса».

Цель исследований: изучение возможности рационального применения конструктивных решений с применением современных геосинтетических материалов, позволяющих снизить деформативность земляного полотна на косогорных участках сильнольдистых вечномерзлых оттаивающих основаниях. Крупномасштабные исследования напряженно-деформированного состояния насыпи от действия нагрузок были выполнены в условиях геотехнической лаборатории в большом лотке Военного технического университета железнодорожных войск (г. Санкт-Петербург). Данные испытания были промоделированы с использованием современного геотехнического программного комплекса методом конечных элементов. Испытания проводились в большом железобетонном лотке с размерами емкости грунта в плане 300 400 см и глубиной 203 см. Для передачи возрастающей нагрузки на модель верхнего строения насыпи в лотке сооружена система металлических балок, позволяющих выдерживать нагрузкудо 500 кН (рис. 1). Коэффициент моделирования принят К = 4. Высота моделируемой насыпи Н = 6,4 м. Поперечный уклон местности на участке 1 : 10.

В качестве материала для модели использован песок средней крупности как грунт-аналог принятого в рабочем проекте строительства опытного участка новой железнодорожной линии Томмот — Кердем в России — Республика Саха (Якутия) на участке «ледового комплекса». В качестве оттаявшей прослойки косогорного основания использован суглинок текучий на наклонной поверхности гладкого пластика.

Все испытания выполнены для конструкций без усиления и с усилением в остальных равных условиях, что позволило уменьшить влияние случайных факторов и увеличить надежность исследуемых закономерностей. Усиление моделинасыпи выполненов соответствиисо схемойна рис.1 конструкциями в виде грунтовой обоймы у основания и полотна в рабочей зоне основной площадки.

Для повышения несущей способности в тело насыпи укладывается георешетка. Как материал — аналог для моделирования использована двухосная плоская георешетка с размерами ячеек 9 9 мм из полипропилена с жесткими узлами и ребрами.

Для регистрации деформаций под нагрузками использована лазерная система и оптическое оборудование. Установка марок приведена на рис. 2.

Нагрузкинамоделиприкладывалисьступенямичерезспециальныйштамп гидравлическим домкратом. Штамп изготовлен из бруса и имеет следующие размеры: высота — 0,22 м; ширина — 0,42 м; длина — 1,0 м. Коэффициент влияния формы штампаи ограниченной относительнойтолщины слоягрунта на осадку = 0,68. Вес штампа 45,6 кг.

38

Рис. 1. Модель насыпи на косогоре в лотке с усилением:

1 — георешетка; 2 — брус; 3 — суглинок текучий на пластике; 4 — деревянные опоры

Рис. 2. Схема установки марок для регистрации деформаций

Исследования работы насыпи возрастающей статической нагрузкой проводились при двух условиях: без армирования и с армированием тела насыпи георешеткой.

Графики вертикальных и горизонтальных деформаций поверхностных марок тела насыпи без армирования представлены нарис. 3 и 4 соответственно.

Графики вертикальных и горизонтальных деформаций поверхностных марок тела насыпи армированной георешеткой представлены на рис. 5 и 6 соответственно.

39

Рис. 3. Вертикальные деформации поверхностных марок насыпи без армирования:

1, 2, 3, 4 — марки

Рис. 4. Горизонтальные деформации поверхностных марок насыпи без армирования: 1, 2, 3, 4 — марки

Рис. 5. Вертикальные деформации поверхностных марок насыпи армированной георешеткой: 1, 2, 3, 4 — марки

40