754

В соответствиис рис. 1,длина траектории при известных значениях kCзап и k зап равна

В частном случае, когда kзап = k зап = kCзап, длина траектории (M0 — Mk) определится как

где Lk Lk .

2

Однако для корректного определения kСзап и k зап необходимо в каждом конкретном случае знать закон, в соответствии с которым будет происходить пошаговое изменение прочностных характеристик грунта, т.е, зависимость, определяющая на каждом шаге соотношение между Сj и tg j:

Поскольку точное определение такой зависимости, учитывающей все многообразие внешних факторов, влияющих на изменение прочностных характеристик грунта практически нереально, то представляется рациональным определить траекторию, наиболее опасную с точки зрения устойчивости массива. Такой линией на рис.1 будет являться нормаль к линиипредельного равновесия грунта (M0 — Mmin), проведеннаяиз точки M0. Приэтом точке Mmin будет соответствовать определенная пара значений kСзап и k зап, которые будут являться для данного случая критическими. Исходя из условия, что траектория с минимальной длиной Lmin описывает снижение характеристик с минимальным запасом, то значение коэффициента запаса можно определить следующим образом:

где Lmin Lmin .

2

Результаты проведенного расчета показали следующее.

Приреальном снижениихарактеристик коэффициентзапаса поудельному сцеплению составил 4,12,по углувнутреннеготрения —1,28. Длина траектории равна 0,79, что соответствует коэффициенту запаса, равному 2,27.

При снижении характеристик по прямопропорциональной зависимости коэффициенты запаса по удельному сцеплению и углу внутреннего трения

61

составили 1,58. При этом длина траектории равна 0,52, а коэффициент запаса — 1,58.

При минимальной длине траектории,равной 0,46, коэффициент запаса по удельному сцеплению равен 1,16, по углу внутреннего трения — 1,79. Этот случай снижения прочностных характеристик показал наименьшее значение коэффициента запаса — 1,48.

Выводы

1.В современных конечно-элементных программах коэффициент запаса устойчивости откосов и склонов для удобства расчетов вычисляется при равномерном снижении прочностных характеристик грунта (удельного сцепления С и тангенса угла внутреннего трения tg ), где kзап = kСзап = k зап.

2.При известномзаконеизменения прочностныххарактеристик грунта от воздействия внешних факторов (обводнение грунта, динамические нагрузки, сейсмика ит.д.) коэффициентзапасаможет быть определен как функциядвух

параметров kзап = f(kСзап, k зап).

3. Приневозможности учета влияниявнешних факторов, запасустойчивости откоса следует оценивать по кратчайшему пути снижения прочностных характеристик. В этом случае значение коэффициента запаса, определяемое выражением, будет минимальным.

Библиографический список

1.Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М.: Транспорт, 1987. 479 с.

2.Brinkgreve, R.B.J. and Bakker, H.L. (1991).Non-linear finite element analysisofsafety factors. Proc. 7th Int. Conf. On Comp. Methods and Advances in Geomechanics, Cairns, Australia, 1117– 1122.

3.Исаков А.Л., Машуков В.И., Корнеев Д.А. Анализ устойчивости высоких насыпей с применением деформационного критерия разрушения. // Железные и автомобильные дороги в условиях Сибири: Сб. науч. тр. / Отв. ред. А.Л. Исаков. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2008.

С. 4–28.

4.Афиногенов О.П., Ефименко В.Н., Ефименко С.В. Конструирование и расчет дорожных

одежд. Кемерово: Кузбассвузиздат, 2008. 371 с.

УДК 624.131

С.А. Кудрявцев, Ю.Б. Берестяный, Т.Ю. Вальцева, Р.Г. Михайлин,

Е.В. Федоренко (ДВГУПС, «ДВ-Геосинтетика», г. Хабаровск)

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 более современных методов проектирования и

62

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 иновых материалов это стало возможным. Однако нормативная документация, регламентирующаятакую возможность, 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.

Настоящий доклад посвящен одному из острых вопросов геотехники земляных сооружений транспортного строительства. Рассмотрены методики и результаты теоретических, лабораторных и полевых исследований по увеличению несущей способности и повышению эксплуатационной надежности земляного полотна и основания в сложных грунтовых и климатических условиях при использовании современных методов численного моделирования и эффективных свойств современных геосинтетических материалов.

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 какгрунт-аналогпринятоговрабочемпроектестроительстваопытногоучастка 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.

63

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

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

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.

Рис. 2. Схема установки марок для регистрации деформаций

64

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 штампа и ограниченной относительной толщины слоя грунта на осадку = 0,68. Вес штампа 45,6 кг.

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.

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

65

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

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

Рис. 6. Горизонтальные деформации поверхностных марок насыпи, армированной георешеткой:

1, 2, 3, 4 — марки

Конструкции усиления, используемые при проведении испытаний моделей, позволили увеличить нагрузки без прогрессирующих разрушений моделей на 45 %.

66

Для исследования качественной и количественной картины крупномасштабного моделирования в лабораторных условиях было выполнено геотехническое моделирование тех же конструкций методом конечных элементов с помощью современного программного комплекса «FEMmodels», разработанного геотехниками Санкт-Петербурга в НПО «Геореконструкция-Фунда- ментпроект» под руководством профессора Улицкого В.М.

Для анализа существующихмоделей промерзающихи оттаивающихгрунтов использована математическая модель «Termoground» численного моделированияпроцессапромерзания, морозного пучения иоттаиванияв годовом цикле в пространственной постановке.

Численное математическое моделирование исследуемых эквивалентных сооружений проводились при той же последовательности нагружения и величинах, как при испытаниях в лотке, для моделей без усиления и усиленной конструкциями из геосинтетических материалов.

Впроцессечисленногомоделированиялабораторных испытаний насыпей на оттаивающих косогорных участках с сильнольдистым основание получены все промежуточные и конечные результаты работы конструкций при всех циклах нагружения (рис. 7–10).

Рис. 7. Вертикальные деформации насыпи без усиления

67

Рис. 8. Горизонтальные деформации насыпи без усиления

На рис. 9 и 10 представлены вертикальные игоризонтальные деформации насыпи с армированием.

Рис. 9. Вертикальные деформации насыпи с усилением

68

Рис. 10. Горизонтальные деформации насыпи с усилением

Полученные качественные картины деформаций и их количественные показатели с достаточной степенью точности согласуется с результатами крупномасштабных лабораторных экспериментов, однако распределение деформаций при математическом моделировании представляется намного шире, чем в лабораторных экспериментах

Анализ полученных результатов показывает, что при использовании георешетки насыпь выдерживаетна45 % большенагрузки,чембезармирования при равных величинах деформирования. Так, при проведении эксперимента без армирования максимальная приложенная нагрузка составляла 220 кН, а максимальная нагрузка, которую насыпь выдерживала без прогрессирующих разрушений составляет 190 кH. При проведении эксперимента c использованием георешетки максимально приложенная нагрузка составляет 330 кН, а максимальная нагрузка, которую насыпь выдерживала без прогрессирующих разрушений составляла 275 кН.

При сопоставлении данных, полученных при крупномасштабных испытаниях и при геотехническом моделировании с помощью программного комплекса «FEM models» определено, что результаты с достаточной точностью согласуются между собой. Из проведенных исследований следует, что при более высоких нагрузках в насыпи, армированной георешеткой деформации значительно меньше, чем в насыпи не усиленной данным материалом. Это показывает на эффективность использования георешетки в строительстве и реконструкции различных объектов.

69

Результаты проведенных лабораторных и теоретических исследований использованы в дальнейшем для разработки конструкции усиления земляного полотна при реконструкции станции Дюанка Дальневосточной железной дороги для устройства станционной площадки на торфяной прослойке в основании.

Всоответствии сп. 8.12 СП 32-104-98 «Проектирование земляногополотна железных дорог колеи 1520 мм» при проектировании насыпей на болотах с сохранением торфа в основании необходимо применять конструктивнотехнологические решения, направленные на обеспечение устойчивости насыпи, снижение общих осадок и предотвращение сползания насыпи при наклонном дне болота. Наряду с прочими мероприятиями, рекомендуется армирование насыпи геосинтетическими материалами.

Развитие промышленности привело к появлению новых видов материалов, обладающих особыми свойствами: прочность, устойчивости к агрессивным воздействиям, механическая стойкости, долговечность и др. Применение этих материалов в конструкциях транспортных сооружений позволяет более эффективно решать самые разнообразные проблемы, связанные со сложными инженерно-геологическими условиями Дальневосточного региона, по сравнению с традиционными мероприятиями. В том числе и при строительстве насыпей на слабых основаниях и болотах.

СП 32-104–98 допускает устройство насыпей с частичным удалением торфа, а так же возможность использования свойств современных геосинтетических материалов, с целью минимизации общих осадок и выполнения условий безопасности и бесперебойности движения поездов. Поэтому для реконструкции станции рекомендован и реализован исследованный ранее вариант конструкции, представленный на рис. 11.

Рис. 11. Рекомендованная конструкция усиления земляного полотна и основания

Эффективность работы используемой конструкции усиления сооружения подтверждена результатами геотехнического моделирования его работы

(рис. 12).

70