Методика расчета и конструктивно-технологические решения армированного объемными георешетками земляного полотна на вечномерзлых грунтах Челобитченко Светлана Андреевна

Содержание к диссертации

Введение

1. Причины нарушения и методы расчетов устойчивости и стабильности земляного полотна в районах вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания 12

1.1 Нагрузки и воздействия 14

1.2 Дефекты и деформации 17

1.3 Современные методы расчета 20

1.4 Анализ существующих способов усиления земляного полотна... 28

2. Оценка применимости геосинтетических материалов для усиления земляного полотна 34

2.1 Опыт применения геосинтетических материалов в транспортных грунтовых и армогрунтовых сооружениях 34

2.1.1 Отечественный опыт применения геосинтетических материалов 36

2.1.2 Зарубежный опыт применения геосинтетических материалов

2.2 Условия и область применения геосинтетических материалов для земляного полотна в вечномерзлых и сезонномерзлых грунтах 57

2.2.1 Классификация геосинтетических материалов 58

2.2.2 Принципы работы геоматериалов в транспортных сооружениях 64

2.2.3 Свойства геосинтетических материалов 67

3. Выбор методов расчета армогрунтовых конструкций с объемными георешетками 74

3.1 Анализ и оценка современных методик расчета армированных сооружений 74

3.2 Рекомендации по методике расчета объемных георешеток при армировании дорог на вечномерзлых грунтах 86

4. Определение эффективных параметров объемных георешеток при армировании земляного полотна на вечномерзлых грунтах 90

4.1 Условия применения объемных георешеток в земляном полотне на слабых основаниях 90

4.2 Моделирование фрагментов конструкций армированного объемной георешеткой грунтового массива 93

4.3 Экспериментальные расчеты и их оценка 97

4.4 Оценка результатов численных экспериментов и сопоставление с данными лабораторных испытаний и натурных исследований... 102

5. Эффективность применения объемных георешеток в конструкциях ав томобильных и железнодорожных насыпей в районах Сибири и Дальнего Востока 109

Основные выводы 134

Список использованной литературы

• Дефекты и деформации
• Зарубежный опыт применения геосинтетических материалов
• Рекомендации по методике расчета объемных георешеток при армировании дорог на вечномерзлых грунтах
• Моделирование фрагментов конструкций армированного объемной георешеткой грунтового массива

Введение к работе

Значительная часть территории России расположена в зоне вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания (рис. 1), к тому же в Западной Сибири, в центре и на севере Европейской части России повсеместно распространены болота, лессовидные и переувлажненные глинистые грунты, не обладающие достаточной несущей способностью.

Именно в этих районах сосредоточены минерально-сырьевые, энергетические, биологические ресурсы, развивается добывающая промышленность. Это определяет необходимость их надежного транспортного обслуживания. Создаваемая для этого транспортная природно-техническая система (ТПТС) должна иметь прочное и устойчивое земляное полотно (ЗП) сооружаемых железных и автомобильных дорог. Сложность инженерно-геологических условий, дефицит качественных грунтов, из которых сооружают ЗП, ограничивают возможность применения типовых конструкций и технологических процессов. Решение задач по разработке конструкций и методов сооружения ЗП для данных условий в связи с этим определяет актуальность проблемы, которой посвящена диссертация. Особую актуальность эта проблема приобретает с увеличением скоростей движения, наращиванием интенсивности перевозок, возрастанием нагрузок и ужесточением требований безопасности (функциональной, технологической, экологической, экономической, информационной, социальной) и надежности (прочность, устойчивость, стабильность, безотказность), предъявляемых к перевозочному процессу.

Рис. 1. Схематическая карта распространения многолетнемёрзлых

грунтов России (б. СССР) *: 1-2 - зоны отрицательно-температурных солёных вод - криопэгов: 1 - вне области многолетнемёрзлых пород (ММП); 2-е островным (а) и сплошным (б) распространением реликтовых ММП (по Я. В. Неиз-вестнову); 3-9 - северная геокриологическая зона сплошного распространения ММП со среднегодовыми температурами пород (tcp) и мощностью мёрзлых толщ (М): 3 -tcp ниже —13, М>800м; 4 - tcp от —11 до —13, М500-700м; 5 - tcp от —9 до — 11, М 400-600 м, в горных хребтах до 1000 ми более; 6 - tcp от —7 до —9, М 300-500 м, в горных хребтах до 500-900 м; 7 - tcp от —5 до —7, М 200-400 м, в горных хребтах до 300-500м; 8 - tcp от —3 до —5; М200-400м; 9 - tcp от —1 до —3, М 100-300 м; 10-12 - южная геокриологическая зона: 10- прерывистого (70-80% площади занято ММП), 11 - островного (40-60%), 12 - редкоостровного (5-10%) распространения ММП: 10 - tcp ММП от 0 до —2, Мдо 100 м, реже до 200-300 м, tcp талых пород от+1 до 0; 11-tcp ММП от 0 до —I^а, Мдо 50-70 м, реже до 100-200 м, tcp талых пород от + 2 до 0; 12 - tcp ММП от 0 до —0,5, Мдо 15-20м, реже до 50м, tcp талых пород от +4 до 0; 13-зонараспространения двухслойных толщ ММП (по В. В. Баулину, Н. Г. Оберману); 14 - зона систематического сезонного промерзания пород с редкими островами (до 5%) ММП и перелетками, tcp ММП от 0 до —0,5, Мдо 10-20 м; 15 - высокогорные районы с большим диапазоном изменений tcp (от Одо—13 и ниже) и ММП (до 1000 м и более); 16- граница между геокриологическими зонами и подзонами; 17 — граница между зонами криопэгов; 18 — граница распространения сингенетически промёрзших отложений с повторно-жильными льдами; 19 - граница субгляциалъной криолитозоны мощностью от 0 до 500 ми более tcp ММП от 0 до —12.

* авторы: Э.Д. Ершов, К.А. Кондратьева, В.А. Кудрявцев, С.А. Замолотчикова, Н.И. Труш, Е.Н. Дунаева, А.В. Гаврилов, В.Е. Афанасенко, С.Ф. Хруцкий и др. М.: МГУ, 1991

Успешное решение задач по обеспечению прочного и устойчивого ЗП возможно на основе его армирования геосинтетическими материалами, обладающими высокой прочностью, низкой материалоемкостью, устойчивостью к воздействию погодно-климатических факторов, долговечностью и экологической безопасностью. Перспективным является метод объемного армирования трехмерными сотовыми георешетками, которые превращают грунт практически в новый материал с более высокими физико-механическими характеристиками. Однако отсутствие научно обоснованной методики расчета армогрунтовых конструкций с объемными георешетками удерживает развитие и широкое их применение, которое особенно актуально в районах с ограниченной возможностью использования кондиционных грунтов.

Целью данной работы явились определение условий применения, выбор расчетных методов и разработка конструктивных решений армированного объемными георешетками ЗП при проектировании и строительстве транспортных коммуникаций на вечномерзлых основаниях. Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. определены роль и условия применения объемных георешеток в конструкциях ЗП на вечномерзлых и сезонномерзлых грунтах;

2. предложены рациональные технические решения армогрунтовых конструкций ЗП для создания надежных дорог на вечномерзлых и слабых грунтах в Северной строительной климатической зоне;

3. разработаны рекомендации по методике расчета объемных георешеток при армировании ЗП транспортных коммуникаций на вечномерзлых грунтах (ВМГ);

4. показана эффективность применения объемных георешеток для армирования дорог на ВМГ.

Лично автором получены следующие основные результаты:

1. определены роль и условия применения объемных георешеток в конструкциях ЗП на вечномерзлых и сезонномерзлых грунтах;

2. на основе проведенных численных экспериментов и математического моделирования определены эффективные параметры ячеек объемной георешетки для различных грунтовых условий при назначении технических решений по армогрунтовым конструкциям, сочетающим разнообразные геосинтетические материалы;

3. предложены рациональные технические решения армогрунтовых конструкций ЗП для создания надежных дорог на вечномерзлых и слабых грунтах в Северной строительной климатической зоне;

4. разработана методика расчета армированного объемными георешетками земляного полотна на ВМГ.

Перечисленные результаты исследования обоснованы корректным применением известных математических методов, кроме того, получена хорошая сходимость результатов лабораторных и полевых испытаний с результатами расчетов по разработанной автором методике, что отражено в работе и печатных трудах

соискателя. Результаты экспериментальных исследований и выполненных расчетов апробированы при проектировании конкретных объектов. Научную новизну работы составляют:

5. экспериментальные данные для разработки новых технических решений ЗП с применением геосинтетических материалов и местных грунтов;

6. научно-обоснованные требования к параметрам объемных георешеток для различных мерзлотно-грунтовых условий насыпей и оснований железных и автомобильных дорог;

7. обоснование условий и области применения геосинтетических материалов в ЗП на вечномерзлых и сезонномерзлых грунтах;

8. методика расчета конструктивных элементов ЗП с применением объемных георешеток на вечномерзлых и сезонномерзлых грунтах.

Практическая значимость работы заключается в:

9. определении характеристик базового конструктивного элемента- объемной георешетки с заполнителем, при применении упрощенных методов расчета позволяющих рассматривать объемноармированную конструкцию как единую структурную массу;

10. разработке конструктивных решений устойчивого ЗП с включением объемных георешеток, обеспечивающего безопасность движения автомобильного и железнодорожного транспорта и экологическую безопасность за счет минимизации нарушения ландшафтных и мерзлотно-грунтовых условий в северных районах;

3) расширении условий и области применения местного грунта в качестве основного строительного материала при сооружении ЗП с использованием объемных георешеток, что позволяет сократить продолжительность строительства и получить значительный экономический эффект. Материалы диссертации использованы при разработке конструктивно-технологических решений ЗП для различных объектов Сибири и Дальнего Востока: подъездного железнодорожного пути Чара - Чина, железнодорожных линий Беркакит - Томмот - Якутск и Лабытнанги (Обская) - Бованенково - Харасавей, а также автомобильных магистралей Чита - Хабаровск, Москва - Нижний Новгород и др.

Апробация работы прошла на ряде научно-практических, научно-технических конференций и семинаров, включая международные: Научно-методическая конференция соискателей и аспирантов ЦНИИС, посвященная 100-летию со дня рождения д.т.н. проф. B.C. Лукьянова. Москва, 2002; Научно-техническая конференция «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов». Москва, 2003; Международная конференция «Развитая инфраструктура - основа устойчивой транспортной системы». Санкт-Петербург, 2003; Международная конференция «Опыт применения новых материалов, технологий, техники и оборудования в до-рожно-мостовом хозяйстве» в рамках VI Московской международной выставки «Доркомэкспо. Дорожно-мостовое хозяйство-2004». Москва, 2004; Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути и инженерных сооруже-

11 ний. Повышение качества подготовки специалистов и уровня научных исследований», посвященная 100-летию со дня рождения профессора Г.М. Шахунянца. Москва, 2004; Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов Научно-исследовательского института транспортного строительства, посвященная 70-летию образования организации. Москва, 2005; Научно-практическая конференция молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве». Москва, 2006.

Основные результаты исследования опубликованы в 12 научных статьях, использованы при разработке Технических условий проектирования и строительства железных дорог на полуострове Ямал (ТУ 203-01-2005) и подтверждены двумя патентами на полезную модель.

Автор искренне признателен д.т.н., профессору Г.С. Переселенкову и д.т.н. А.А. Цернанту за консультации при постановке задач, обсуждении вопросов по теме диссертации и основных результатов работы. Диссертант благодарен д.т.н. В.В. Пассеку, к.т.н. А.И. Штейну, к.т.н. Г.Г. Орлову, Л.М. Бирюковой за участие в обсуждении результатов исследований и критические замечания.

1. ПРИЧИНЫ НАРУШЕНИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТОВ УСТОЙЧИВОСТИ И СТАБИЛЬНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА В РАЙОНАХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ И ГЛУБОКОГО СЕЗОННОГО

ПРОМЕРЗАНИЯ

ЗП является одним из главных и наиболее сложных сооружений в дорожном строительстве, которое должно обеспечивать равновесное, упругое основание для верхних элементов пути при использовании в насыпях различных грунтов на разнообразных основаниях, от состояния, целостности которого зависит исправность всей создаваемой ТПТС. Особого внимания требует ЗП как долговременное сооружение, остающееся без каких-либо ремонтов в течение длительного времени.

ЗП - инженерное сооружение, выполняемое из грунтов, порой некачественных (что обуславливается дефицитом кондиционных грунтов), имеющих нестабильные, трудно прогнозируемые свойства, которое работает в сложных условиях напряженно-деформированного состояния (НДС) и весьма чувствительно к неблагоприятным воздействиям климатических и инженерно-геологических факторов, при недостаточной защите от которых под воздействием нагрузок происходят деформации [1].

Анализ состояния действующих автомобильных дорог (а/д) показал, что около 56% протяженности федеральных дорог имеют неудовлетворительную прочность дорожных одежд, на многих направлениях, особенно в регионах Урала и Сибири, из-за отсутствия достаточно разветвленной сети дорог невозможно в случае необходимости переключение транспортных потоков на другие дороги, что вызывает низкую стабильность системы, приводит к перерывам движения при

неблагоприятных погодных условиях и чрезвычайных ситуациях [2]. В северных районах дефекты и деформации дорожных одежд связаны с необходимостью устройства и эксплуатации их на нестабильном ЗП.

Протяженность участков с дефектами и деформациями ЗП железных дорог (ж.д.), согласно данным [3], составляет по всем ж.д. 12,5%, на Северной ж.д. -41,4%, Забайкальской - 26,4%, Дальневосточной - 26,1%.

На графике показана протяженность дефектов и деформирующегося ЗП на сети ж.д. России за последние 40 лет (рис. 2) [4].

Рис. 2. Динамика деформативности земляного полотна За последние годы возросло количество мест с осадками пути. Вероятно, ЗП перестало выдерживать возросшие эксплутационные нагрузки. Но также возможно, что мало уделяли внимание основной площадке, состояние которой существенно влияет на стабильность пути в целом.

В районах Сибири и Дальнего Востока значительное количество участков с неустойчивыми и потенциально неустойчивыми основаниями ЗП обусловлено наличием вечной мерзлоты и процессами, связанными с ее деградацией. Помимо

этого технология сооружения насыпей предусматривает их устройство в зимнее время, а в теплый период происходит осадка, и при сооружении насыпей по второму принципу (с допущением оттаивания основания насыпи на проектную глубину) осадки могут продолжаться в течение нескольких лет. Наиболее опасными являются деформации ЗП, сооружаемого из местных мерзлых грунтов, поэтому эх применение ограничено нормами [5 - 12], хотя в рамках проводимой на дорогах РФ политики ресурсосбережения и ужесточением режима экономии использование местных грунтов решает проблему доставки дорогостоящего дренирующего грунта и сезонности ведения земляных работ. К тому же строительство в зимний период целесообразно с позиции экологической безопасности, что становится необходимым в связи с введением экологического кодекса и отвечает требованиям [13].

В целом состояние сети железных и автомобильных дорог не удовлетворяет растущей интенсивности перевозок, увеличению скоростей движения, возрастающим нагрузкам, и соответственно требованиям безопасности и надежности.

В связи с этим представляются актуальным исследования НДС ЗП и способов по его стабилизации. Целесообразно рассмотреть внешние факторы воздействия (нагрузки) на ЗП, как отклик на них - дефекты и деформации ЗП и мероприятия, позволяющие предупредить последние.

1.1 Нагрузки и воздействия

В зависимости от учитываемого состава нагрузок на ЗП различают основное сочетание нагрузок, состоящее из постоянных, длительных и кратковременных, и

особое сочетание нагрузок, состоящее из постоянных, длительных, кратковременных и одной из особых нагрузок [14].

Расчеты общей устойчивости ЗП, его основания и поддерживающих сооружений выполняют на основное сочетание действующих нагрузок и воздействий в соответствии с нормами [6,7, 8,9,14]:

веса и давления грунтов (рис. 3 [15]);

веса сооружений и их частей, в том числе верхнего строения пути (Р_вс) (рис. 3,4 [15,16]), подпорных стен и т.п.;

подвижной временной нагрузки (Р_п) (рис. 3,4);

гидростатического и гидродинамического воздействия воды на участках

подтопления.

б)

а)

1 - эпюра временных напряжений, 2 - эпюра посто- 1 - внешняя нагрузка, 2 - напряжения от внешней

янных напряжений, 3 - слой насыпи нагрузки, 3 - напряжения от собственного веса грун-

та, 4 - суммарная эпюра напряжений

Рис. 3. Эпюры напряжений в насыпях: а) - железных дорог; б) -автомобильных

Т7~

«iriHttttoi»,

\

Г7^-

**

\ у

^{Ш 4}

WHHWl»! ІГ

*ie t

~\

Рис. 4. Схемы внешних нагрузок на расчетную плоскость (основную площадку ЗП): а) однопутную или двухпутную при трапецеидальной форме нагрузок, б) то же при прямоугольной форме

16 Изменяющиеся условия эксплуатации ж.д., характеризующиеся, повышением

нагрузок на ЗП, подтолкнули ученых к более углубленному изучению его напряженного состояния. Исследования Коншина Г.Г., Тихомирова В.И. Прокудина И.В. и др. [17, 18, 19, 20, 21, 22, 23], выявили влияние скорости движения, типа подвижного состава, типа верхнего строения, мощности балласта на величину и характер распределения напряжений в теле ЗП, а также позволили установить, что на уровне основной площадки и по глубине ЗП в сечении по оси рельса необходимо учитывать и горизонтальные поперечные силы, образующиеся в точке контакта колеса с рельсом.

В результате анализа литературных источников выявлено, что наибольший показатель напряжений приходится на верхние слои насыпей, и там же происходит их распределение. В ЗП ж.д. концентрат напряжений находится в уровне основной площадки (рис. 5), автомобильных - основания дорожной одежды (рис. 6) [15, 16].

Рис. 5. Схема передачи нагрузки от подвижного состава на основную площадку: I-IV- точки передачи давления на основную площадку; 1 - фактическая эпюра нагрузки; 2 -условная эпюра, 3 - конус распространения давления

С учетом этого при выборе превентивных мероприятий необходимо ориентироваться на методы защиты ЗП от возникновения дефектов и деформаций грунтов в верхних слоях насыпей, как от вертикальных нагрузок, так и горизонтальных.

Рис. 6. Напряжения от колес автомобилей в многослойной дорожной одежде: а) эпюра вертикальных напряжений a_z, б) эпюра горизонтальных напряжений а_х; 1 - покрытие; 2 - основание; 3 - дополнительный слой основания, 4 - подстилающий слой; 5 - напряжения в дорожной одежде; 6 - напряжения в однородном слое

1.2 Дефекты и деформации

Дефектами ЗП являются любые недостатки в его конструкции, возникшие в результате нарушения технических условий, норм и правил производства инженерно-геологических изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации. При определенных условиях дефекты способствуют развитию деформаций (изменений во времени первоначальной формы, размеров и литологического строения ЗП, вызываемые неблагоприятным воздействием природных и антропогенных факторов), повреждений и даже разрушений или являются их причиной [15].

Классификацией охвачено 37 основных видов деформаций, повреждений и разрушений ЗП, все они разделены на пять групп [24].

Группа I - повреждения и деформации основной площадки;

Группа II - повреждения откосов;

Группа III - повреждения и разрушения тела ЗП;

Группа IV - повреждения и разрушения основания ЗП;

Группа V - повреждения и разрушения ЗП, поврежденного неблагоприят-

ными природными воздействиями. Классификация основных дефектов и деформаций ЗП, предложенная Т.Г. Яковлевой, представлена в следующей структурной схеме (рис. 7) [15].

Дефекти и деформации зеплянпо полотна

Дефекти

Деформации

И

Балластние шлейфи

Заужснності основной площадки

Чрезмерная

крутизна

откосов

Погребенные

балластными

материалами

кювети

Продали

Оползни и сдвиги

— На болотах * Зональные

Поколение

Карстова-суффозионние

» Сплыви

Сдвиги

Из-за . горних выработок

Пучини

» верговие

» Ґрунтовне

« Иаледние

Размывы и подмывы

Размывы

» Подмывы

Овраги

Расползания

Повреждения и загромождения

Обвалами

«) Осыпями

Лавинами

Селевими ^¹ потоками

_ Зешігтрісг-*** ниями

Ц. Наледями

Рис. 7. Классификация дефектов и деформаций ЗП

Наиболее распространенным видом деформаций ЗП в условиях распространения ВМГ являются осадки насыпей на протаивающем основании. Они проявляются как в виде резких локальных просадок пути, так и в виде протяженных "волнообразных" участков.

При этом осадки протекают крайне неравномерно, приводя к значительным расстройствам рельсовой колеи ж.д. (дорожной одежды а/д), вызывая необходимость частых выправок и подъемок пути (ремонтных работ на а/д). По причине этих деформаций снижается безопасность движения поездов (автомобильного транспорта), что приводит к значительному увеличению количества ограничений скорости (увеличению числа дорожно-транспортных происшествий (ДТП)).

Основной причиной деформаций является деградация вечной мерзлоты в основании, вызванная нарушением естественных условий теплообмена между атмосферой и грунтовым массивом, выражающихся в:

замене в зоне сезонного оттаивания-промерзания слоя торфа или переувлажненного суглинка на дренирующий маловлажный грунт;

уменьшение испарения и увеличение инфильтрации тепловых атмосферных осадков через оголенные поверхности контура насыпи в сравнении с естественными маревыми ландшафтами;

увеличение поглощения солнечной радиации поверхностями контура насыпи в сравнении с естественными маревыми ландшафтами;

ухудшение условий стока поверхностных вод вблизи насыпей, приводящих к отепляющему влиянию углублений поверхности, заполненных водой и фильтрирующихся через насыпь потоков.

Кроме многолетних осадок из-за деградации мерзлоты на невысоких насыпях, где сезонное промерзание достигает основания, возможно морозное пучение с последующей при оттаивании осадкой. Неравномерность сезонного промерзания и осадок по поперечному профилю создает предпосылки к расползанию откосных частей насыпи.

Таким образом, в районах вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания можно выделить следующие основные дефекты и деформации:

1) основной площадки ЗП - пучины (искажения положения рельсовых нитей в продольном и поперечном профилях в виде пучинных горбов, пучинных впадин, пучинных перепадов, требующие исправления пути, и возникающие вслед-

ствие неравномерного вспучивания грунтов при промерзании. При оттаивании грунтов возможны пучинные просадки);

2. откосов - размывы (поверхностные нарушения откосов атмосферными водами. При размывах, связанных с оттаиванием грунта, разжиженная масса стекает по подстилающему мерзлому слою к основанию откоса, на закюветную полку, в кювет); смывы откосов насыпей (смещение поверхностного слоя грунта, в том числе балластного шлейфа с захватом обочины и части балластной призмы без нарушения общей устойчивости насыпи);

3. тела и основания ЗП - осадки и расползание насыпей на оттаивающих ВМГ (неравномерные осадки насыпи, сопровождающиеся расползанием откосных частей, на мари за счет пластических деформаций (выдавливания) слоя талых глинистых грунтов основания, находящихся в текучем состоянии, под подошвой насыпи при оттаивании сезонно-промерзающего слоя); подмыв основания ЗП водными потоками;

4. слабых оснований - оседание насыпи вследствие выпирания грунтов насыпи; оседание насыпи вследствие уплотнения грунтов основания.

Для предотвращения и своевременного выявления и устранения дефектов и деформаций необходимо применять превентивные мероприятия, основываясь на расчетах прочности и устойчивости ЗП и его основания.

1.3 Современные метрды расчета

В глинистых грунтах, распространенных в исследуемых районах, при воздействии внешних нагрузок иногда деформации уплотнения переходят в пластические деформации выпирания, так как вода в грунте, в основном, связанная,

практически не отжимается, но ее присутствие существенно снижает сопротивление грунтов сдвигу. В таких случаях при проектировании ЗП или установлении причин деформации эксплуатируемого ЗП необходимо выполнять расчеты стабильности оснований насыпей.

Деформации в грунтовом массиве по мере его загружения могут быть охарактеризованы тремя фазами (рис. 8): фазой уплотнения, фазой сдвигов и фазой выпирания [15].

В первой фазе по мере увеличения давления имеет место уплотнение грунта. По мере дальнейшего увеличения давления образуются площадки сдвигов грунта, постепенно переходящие в некоторую поверхность скольжения. Грунт под нагрузкой по этой поверхности выпирает, переходя в третью, катастрофическую, фазу.

й) _я ДоВление 6) _f _ _/г^_я,, ,^

*" ^-^Ь-жцУ

Рис. 8. Зависимость между нагрузкой и деформацией: а) - кривая зависимости между нагрузкой и деформацией, б) - деформации насыпей на слабом грунте, соответствующие разным фазам. 1 - 1-я фаза (уплотнение), 2 - 2-я фаза (уплотнение и боковой сдвиг); 3 - 3-я фаза (резкая просадка, вызываемая боковым выпиранием грунта основания) (стрелками показано преимущественное направление перемещения грунта при деформации)

Для недопущения деформаций необходимо, чтобы в любой точке С массива

(рис. 9) было выполнено условие (1.1) [15]:

(1.1)

где т- касательное напряжение, действующее по некоторой площадке, включая, рассматриваемую точку (рис. 9), Па; f=tgcp - параметр сопротивления сдвигу, здесь ф - угол внутреннего трения, град., f- коэффициент внутреннего трения; С - удельное сцепление, Па; 0 - нормальное напряжение, действующее на эту же площадку, Па.

прочности грунта в окружности заданной точки массива [26]: где [Ко] - допускаемый коэффициент стабильности [6].

Рис. 9. Схема действующих напряжений Стабильность оснований насыпей и основных площадок оценивается коэффициентом стабильности (рис. 10) [15, 25] или точнее коэффициентом сдвиговой

(1.2)

Зона Йозмо/ннш пластических ^ефорпаций

Рис. 10. Схема к оценке стабильности основания насыпи Величины главных напряжений а_ь а₂ в весомой полуплоскости находятся по следующим формулам в соответствии со схемой (рис. 11) [25]:

сг,=.

2 =

а{а, +а₂ +а_ъ)+Ь{а_ъ +a_l)+y{a₁ -а₃)-г\п-±-± + г In² --- + (^ -a₃f

к₂к_} у к₂к_ъ

a{a_l+a₂+a_i)+b{a_i+a₁)+y{a₁-a_i)-z\n-^-z\\n²-^- + (a₁-a_if

к₂щ \ к₂к_г

(1.3) (1.4)

а)

_{^ Ч і}

Рис. ІІ. Схема к определению напряжений ЗП: а)-железных дорог, б) -автомобильных При проектировании насыпей а/д на слабых основаниях в зависимости от назначения насыпей предусматривают работу оснований в следующих фазах [16]:

1. в первой фазе деформаций - насыпи на дорогах с капитальными цементобе-тонными и асфальтобетонными покрытиями (расчет на полное отсутствие сдвигов в основании);

2. в начальном периоде второй фазы - деформации насыпей на дорогах с покрытиями облегченных типов (ограничение распространения сдвигов заданным значением);

3. в конечном периоде второй фазы - струенаправляющие и регуляционные сооружения, дороги местного значения с покрытиями переходных типов

(условия, близкие к предельному равновесию).

Напряжения в грунте основания, вызываемые нагрузкой от насыпей, определяют по формулам теории упругости для бесконечной гибкой полосы, загруженной в поперечном сечении по закону трапеции (рис. 11). Это не вносит существенной погрешности в результаты расчетов, так как в этом случае напряжения очень мало отличаются от напряжений в случае приложения такой же нагрузки к гибкой площадке равной ширины с соотношением сторон 1:10 [16].

Аварийные деформации могут быть вызваны также потерей устойчивости откосов, которую количественно можно оценить с помощью коэффициента устойчивости, представляющего собой отношение сопротивляющихся смещению факторов, к факторам, его вызывающим. Многообразие природных явлений, связанных с нарушением устойчивости принято сводить к трем моделям [15]:

а) поверхность смещения (если деформация произошла) или возможного
смещения (если ее нет, но она возможна) имеет произвольную форму, т.е. она
предопределена литологическим строением откоса (рис. 12 а);

б) поверхность смещения круглоцилиндрическая (рис. 12 б);

в) поверхность смещения плоская (рис. 12 в).

В этих моделях принята гипотеза так называемого «затвердевшего клина», т.е. предполагается, что массив смещающегося грунта (блок смещения или возможного смещения) при деформации (или возможной деформации) перемещается как единое целое, без разделения на отдельные части и без образования трещин.

Коэффициент устойчивости определяется по формулам:

(1.5)

їх,.,

б) К = =

(1.6)

і=п Т

ііаа-і

«-і т_й.

(1.7)

где п - количество частей (отсеков), на которые разбивается вертикальными плоскостями блок возможного смещения;

Т_уд ,и Т_Сдв і- сдвигающие и удерживающие силы, действующие в і-ом отсеке, Н/м;

М_уд, и М_сдв,- моменты удерживающих и сдвигающих сил относительно оси круглого цилиндра, Нм/м;

Туд и Тед, - удерживающая и сдвигающая клин силы, Н/м.

О)

Рис. 12. Поверхности смещения грунтов откосов (склонов): а-произвольной формы, б - круглоцилиндрическая, в-плоская, I - блок возможного смещения, 2 - коренной грунт, цифрами в кружках указаны номера отсеков, на которые разбивается блок

Если насыпи в пределах деформирующихся участков сложены однородными грунтами, то возможные поверхности смещения близки к круглоцилиндрическим. В этом случае будет иметь место схема по типу рис. 13 и формула для расчета коэффициента устойчивости имеет вид [25]:

К =

%Ы+т+т*Г%10-₉)

(1.8)

ІР.-9,)

i=i

' " j, cos^>,
naa-i /

где N, - нормальная составляющая внешней силы; fi - коэффициент внутреннего трения грунта; С, - удельное сцепление грунта; її - длина основания отсека в плоскости чертежа.

Рис. 13. Схема к определению коэффициента устойчивости по круг-лоцилиндрической поверхности возможного смещения Полученные коэффициенты сравниваются с допускаемым коэффициентом

устойчивости:

К < [К],

(1.9)

где [К] определяется в соответствии с СТН-Ц-01-95 [9]. Методы определения устойчивости Я.Х. Хуан [27] разделил на три группы в

зависимости от числа уравнении равновесия:

4. Методы, удовлетворяющие общему равновесию моментов (метод кругло-цилиндрических поверхностей скольжения (КЦПС или Феллениуса) или нормальный метод, упрощенный метод Бишопа и метод логарифмической спирали);

5. Методы равновесия сил (метод Г.М. Шахунянца, метод «скользящего клина»);

6. Методы равновесия моментов и сил (методы Янбу, Моргенштерна и Прайса, Спенсера).

Эти методы нашли широкое применение в практике благодаря своей простоте, на их основе разработано большое количество компьютерных программ. Они базируются на постулате о хрупком разрушении сооружения по той или иной поверхности скольжения, но, как показано А.И. Штейном [28], имеют целый ряд грубых допущений как с позиции строительной механики, так и механики грунтов: не учитывают все компоненты тензора напряжений и крайне условно учитывают влияние внешних нагрузок. Помимо этого рассмотрены методы, основанные на исследовании НДС сооружения (прочность по Мору-Кулону, метод конечных элементов (МКЭ) [29, 30, 31]).

С учетом исследований [28-31] установлено, что возможность более полно и детально описать криогенные процессы, изменения термовлажностного режима грунтов и учесть вводимые в грунт армоэлемены дает лишь МКЭ, хотя он более трудоемок и требует больших ресурсов вычислительной техники, но при расчетах обеспечивает наибольшую точность результатов.

Исследованием напряженного состояния массивов, их устойчивости и процессами разрушения успешно занимались многие отечественные и зарубежные ученые: М.Ф. Вериго, Г.С Золотарев, Н.Н. Маслов, Л.И. Семендяев, Д. Тейлор, К. Терцаги, Г.М. Шахунянц, Т.Г. Яковлева и др.

Изучению НДС грунтовых массивов и свойств грунтов посвящены работы многих исследователей [32,33,34,35,36,37,38], анализ которых показал, что под эксплуатационной нагрузкой, при недостаточной защите от неблагоприятного воздействия климатических и инженерно-геологических факторов грунты ЗП изменяют свои свойства по недостаточно изученным закономерностям, что приводит к деформациям и авариям земляных сооружений. В районах Сибири и Дальнего Востока грунты насыпей и оснований имеют низкую несущую способность, и удовлетворение условию прочности (1.1) и (1.2) представляется крайне затруднительным, также ограничена возможность обеспечить решение задач достижения требуемого уровня прочности и устойчивости ЗП традиционными методами его усиления.

1.4 Анализ существующих способов усиления земляного полотна

В решение проблем повышения устойчивости и надежности ЗП в районах глубокого сезонного промерзания и вечной мерзлоты большой вклад внесли: Е.С Ашпиз, Е.А. Бойцов, СМ. Большаков, СИ. Гапеев, В.И. Грицык, В.В. Дмитриев, П.И. Дыдышко, М.И. Евдокимов-Рокотовский, Г.Н. Жинкин, С.А. Замолотчикова, Е.П. Орлов, Ю.С Палькин, В.В. Пассек, Н.А. Перетрухин, Т.В. Потатуева, И.В. Прокудин, Б.И. Цвелодуб, А.А. Цернант, а также специалисты и ученые из смежных областей знаний: СС. Вялов, М.Н. Гольдштейн, Э.М. Добров, И.Е. Евгеньев,

В.Д. Казарновский, Л.Т. Роман, В.И. Рувинский и др. Труды названных ученых и специалистов позволили обосновать возможность применения местных грунтов при сооружении ЗП за счет регулирования водно-теплового режима (ВТР) и НДС грунтовых массивов в пределах сезонно-деятельного слоя.

Современные способы стабилизации и предотвращения деформаций оттаивающих грунтов в условиях вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания системно изложены А.А. Цернантом [26] и основываются на методах управления ВТР и НДС грунтовых массивов, т. е. с помощью регулирования положения верхней границы мерзлоты и физико-механических характеристик конструктивных материалов ЗП.

Способы по управлению ВТР грунтов в соответствии с их основными функциями разделены на 4 группы:

тепловые экраны (ТЭ) - устройства для регулирования интенсивности теплообмена грунтового массива через его поверхность с окружающей средой путем изменения градиентов и коэффициентов переноса (экраны, пленки, растительные покрытия);

тепловые амортизаторы (ТА) - устройства для регулирования инерционного процесса изменения температурного поля грунтового массива в окрестности ТА (пенопласта, емкости с аммиаком, водно-органические смеси);

тепловые диоды (ТД) - устройства для управления теплооборотами в грунтовом массиве, основанные на создании температурной сдвижки за счет циклических сезонных изменений плотности теплового пото-

зо ка (покрытия из торфогрунтовых смесей, скальные насыпи, размещение в грунте замкнутых полостей, труб заполненных фреоном, СОУ); тепловые трансформаторы (ТТ) - устройства (технические системы) для управления потоками тепла в грунтовом массиве, основанные на использовании дополнительной внешней энергии (электрической, механической, кинетической энергии потока газа и т.п.) (холодильные агрегаты, рефрижераторы, турбохолодильные установки ТХУ). При регулировании НДС грунтовых массивов на мезоуровне иерархии пространственной организации ПТС ЗП необходимо определение схем размещения и параметров разгрузочных, армирующих, дренирующих и изолирующих конструктивных элементов для конструирования ЗП с селективным размещением грунтов с заданными физико-механическими свойствами (ФМС). На миниуровне выполняется оценка макроструктурного и криогенного состояния грунтовых массивов карьеров и ЗП и определение расчетных характеристик (ФМС) грунтов и материалов. На микроуровне - выбор методов модификации грунтов [26].

Обеспечение устойчивости ЗП, сооружаемого с использованием в его теле или основании низкокачественных грунтов, возможно как путем улучшения свойств самого грунта, т.е. материала конструкции (табл. 1 [39, 40]), так и путем совершенствования самой конструкции, отвечающей требованиям экологии и защищенной от воздействий окружающей среды. В качестве такого решения целесообразно применение конструкций со специальными прослойками из геосинте-

тических материалов, играющих роль армирующего элемента, разделяющей мембраны, защиты, дренажа и пр.

Таблица 1 - Способы укрепления грунтов

Исследованиям особенностей работы различных грунтовых конструкций, армированных геоматериалами, посвящены работы ученых: В.Р. Adams, С. Jones, I. Juran, K.L. Lee, М.Т. Long, F. Schlosser, H. Vidal, В.Ф. Бабков, В.П. Каримов, Ю.М. Львович, А.В. Петряев, Г.С. Переселенков, А.С. Пешков, Е.С. Пшеничникова, А.Д. Потапов, Ф.И. Целиков, В.М. Юмашев, В.Ф. Яковлев, Е.В. Яковлева и др.

Анализ этих исследований подтверждает, что и для Северной строительно-климатической зоны эффективно бороться с деформациями ЗП путем упрочнения грунтов. Однако многие вопросы еще не достаточно изучены, используемые методы расчета содержат ряд недостатков, и не учитывают специфики севера, а уси-

ление конструкций ЗП за счет применения геосинтетических материалов не представлялось возможным обоснованно рекомендовать в связи с отсутствием методики расчета НДС ЗП, включающего армоэлементы.

На основании выполненного анализа состояния вопроса сформулированы цели, основные задачи, определена структура проведения диссертационного исследования, заключающаяся в следующем: надежность создаваемой ТПТС обеспечивается прочным и устойчивым ЗП, для чего необходима стабильная работа всех его компонентов (конструктивных элементов). Как способ достижения требуемого уровня прочности - установление необходимого режима ВТР и НДС грунтов ЗП за счет конструктивно-технологических решений. В качестве такого решения целесообразно включение в конструкцию объемных георешеток, ограничивающих сдвиговые деформации, за счет чего повышается несущую способность грунтов. Для наибольшей эффективности использования объемных георешеток необходимо определить условия и область их применения. Расширение области применения геосинтетических материалов и местных мерзлых грунтов требует научно обоснованной методики расчета армированного объемными георешетками ЗП, что позволит прогнозировать НДС ЗП расчетами на прочность и устойчивость ЗП и его основания с учетом превентивных мероприятий.

Выводы по главе 1 1. Исследования выявили, что на уровне основной площадки ЗП зарегистрирован высокий уровень напряжений, свидетельствующий о их возникновении не только под действием вертикальных нагрузок, но и под действием горизонтальных поперечных сил, образующихся в точке контакта колеса с

рельсом. Таким образом, при выборе превентивных мероприятий необходимо ориентироваться на методы защиты ЗП от возникновения дефектов и деформаций грунтов в верхних слоях насыпей, как от вертикальных нагрузок, так и горизонтальных.

2. Превентивные мероприятия необходимо назначать, основываясь на расчетах прочности и устойчивости ЗП и его основания. Среди современных методов расчета более подробно описать криогенные процессы, изменения термовлажностного режима грунтов, учесть вводимые в грунт армоэлемены и оперативно варьировать задаваемыми параметрами позволяет МКЭ.

3. Наиболее распространенным видом деформаций ЗП в условиях распространения ВМГ являются осадки насыпей на протаивающем основании. Основной причиной деформаций является деградация вечной мерзлоты в основании, вызванная нарушением естественных условий теплообмена между атмосферой и грунтовым массивом. Целесообразно в качестве способов по усилению ЗП включение в конструкцию геосинтетических материалов, применение которых обеспечивает сохранность ландшафтных и мерзлотно-грунтовых условий в северных районах;

4. Обеспечение устойчивости ЗП, сооружаемого с использованием в его теле или основании некондиционных грунтов, возможно как путем улучшения свойств самого грунта, так и путем совершенствования конструкции. В качестве такого решения целесообразно применение конструкций со специальными прослойками из геосинтетических материалов, играющих роль армирующего элемента, разделяющей мембраны, защиты, дренажа и пр.

2. ОЦЕНКА ПРИМЕНИМОСТИ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА 2.1 Опыт применения геосинтетических материалов в транспортных грунтовых и армогрунтовых сооружениях

Современный тип армирования грунта был разработан Видалем в 60-х гг. Идея состояла в создании композитного материала, образуемого плоскими армирующими полосами, которые укладывались горизонтально в грунт, обладающий определенным трением, взаимодействие между грунтом и армирующими элементами обеспечивается за счет трения, вызванного гравитационными силами. Этому материалу было присвоено название «армированный грунт», термин, который стал общепризнанным во многих странах [41].

Многие армирующие материалы не были долговечны. В первой половине XX в. Койн осознал проблему коррозии, важность которой отмечалась также Видалем. Технический прогресс позволил использовать для армирования искусственные или техногенные материалы. В конце 60-х и начале 70-х гг. достижения в производстве синтетических и геотекстильных материалов позволили использовать их при строительстве сооружений из армированного грунта [42]. На международной конференции по использованию геотекстильных материалов для гражданских сооружений, состоявшейся в 1977 г. в Париже профессором Жиро был предложен термин «геотекстиль» для названия новых текстильных слоев, контактирующих с грунтом [43].

Опыт строительства различных сооружений из армогрунта показал следующие их преимущества по сравнению с традиционными конструкциями [44,45]:

сокращение продолжительности строительства вследствие простоты технологического процесса, исключающего необходимость применения тяжелого сваебойного и кранового оборудования;

возможность обходиться стандартным парком машин и механизмов;

исключение «мокрых» процессов (таких как бетонирование);

отсутствие необходимости заглубления фундамента (или значительное уменьшение величины этого заглубления);

минимальное нарушение геологической структуры нижележащих слоев грунта;

малое нарушение условий окружающей среды;

значительно лучшая (примерно в 10 раз по сравнению с аналогичными сооружениями) способность поглощать энергию (например, возникающие от движения транспорта шум, вибрацию и др.);

возможность строительства в различных грунтовых и топографических условиях (в том числе в стесненных городских);

возможность использования местного грунта в качестве основного строительного материала;

меньшая стоимость строительства;

высокая надежность, в том числе меньшая чувствительность к неравномерным осадкам основания и сейсмическим воздействиям.

2.1.1 Отечественный опыт применения геосинтетических материалов

В нашей стране основной акцент при исследовании применения геосинтетических материалов в армогрунтовых конструкциях был сделан на материалы, выпускаемые отечественной промышленностью.

С участием ЦНИИСа, начиная с 80-х гг. XX в., в различных районах были запроектированы и построены армогрунтовые сооружения разного функционального назначения с использованием в качестве армирующих полотнищ отечественных марок геотекстиля [44] (табл. 2).

Примером использования местных грунтов и геотекстиля для усиления ЗП являются разработанные ЦНИИСом совместно с СибЦНИИсом и Ленгипротран-сом экспериментальные конструкции и технология сооружения насыпей из твердомерзлых грунтов в замкнутых обоймах из геотекстиля. Усиление насыпей из твердомерзлых грунтов устройством замкнутых или полузамкнутых геотекстильных обойм, сооружаемых в зимнее время по одноэтапной технологии, применили с использованием мелких пылеватых песков при строительстве ж.д. линии Ягельная - Ямбург. Наблюдения показали, что большие деформации (неравномерные осадки) были отмечены в первый сезон начального периода оттаивания, но по мере оттаивания и обезвоживания грунтов происходила постепенная стабилизация насыпей (при соответствующей выправке и подъемки пути). В течение первого летнего периода плотность грунта насыпи почти достигла нормируемой. В декабре 1987 г. на некоторых участках ж.д. линии Обская - Бованенково также возведены насыпи различной высоты из твердомерзлых грунтов в геотекстильных замкнутых обоймах и полуобоймах [46].

Таблица 2 - Отечественные армогрунтовые сооружения

Продолжение таблицы 2

Данные технические решения нашли свое отражение в нормах и технических условиях на проектирование и строительство железных и автомобильных дорог на полуострове Ямал [47, 48, 49] и проектирование и сооружение ЗП железнодорожной линии Ягельная - Ямбург (ВСН 200-85) [50].

При строительстве БАМа были заложены два опытных участка длиной по 100 и 150 м. На первом участке насыпь высотой 1,6 м возведена на естественном основании с термопросадочностью грунтов 40 см, а на втором 60 см, с укладкой в основании ДорнитаФ-1. Осадки основания насыпи к концу четвертого года эксплуатации дороги во втором случае прекратились, а в первом - продолжали расти и достигли 50 см около подошв и 40 см под центральной частью насыпи. Скорость осадки достигла 7-12 см в год [51].

При строительстве моста через р. Ямсовей на ж.д. линии Сургут-Уренгой откосы насыпей закреплены плитами на слое геотекстиля, который применен как обратный фильтр. При этом получен экономический эффект около 600 тыс. руб., в том числе удалось снизить расход стали на 285 т, цемента на 210 т, щебня на 3,3 тыс. м³ и сократить затраты труда на 3,1 тыс.чел.-дней [52].

В настоящее время в транспортном строительстве широко используются методы объемного армирования грунта, посредством которых грунт превращается практически в новый материал с более высокими механическими характеристиками. К таким методам относятся способы укрепления грунтов георешетками с вертикальными стенками.

Широкое применение георешеток обусловлено высокими физико-механическими свойствами: прочностью, низкой материалоемкостью, устойчивостью к воздействию погодно-климатических и гидрогеологических факторов, долговечностью и экологической безопасностью.

Конструкция георешетки проста и технологична, допускает изменение в широком диапазоне размеров ячейки, выбираемых в зависимости от расчетной на-

грузки и имеющихся в наличии строительных материалов. Георешетка ограничи
вает сдвиговые деформации и укрепляет грунты, создавая единую структурную
массу, которая выдерживает большое давление (рис. 14). А пространственные
конструкции из георешетки с заполненными фунтом ячейками обеспечивает вы
сокую прочность за счет сопротивления сочетанию горизонтальных и вертикаль
ных нагрузок. Технология укладки объемной георешетки не требует применения
сложной дорожно-строительной техники (рис. 15). Это обуславливает широкий
спектр строительных задач, которые могут быть решены с их применением - со
оружение подпорных стен (рис. 16), устоев мостов, крутых откосов при защите от
оползней (рис. 17), оснований насыпей, придорожных канав, дорожной одежды
автомобильных дорог и балласта железнодорожного пути (рис. 18) и др. [53, 54,
55].
а) б)

Рис. 14. Распределение нагрузок внутри георешетки: а) силы сопротивления нагрузке: сопротивление материала, сопротивление смежных ячеек, трение между заполнителем и стенками ячеек; б) перемещение грунта в направлениях 1-2-3 без георешетки; в) георешетка обеспечивает торможение перемещения в зонах 1-2

Рис. 15. Укладка объемной георешетки

Рис.16. Объемная георешетка в Рис.17. Защита откосов объем-

конструкциях подпорных ной георешеткой

стен

Рис. 18. Объемная георешетка в конструкциях железных и автомобильных дорог Для условий Западной Сибири ОАО ЦНИИС разработаны методические рекомендации по проектированию и строительству грунтовых насыпей на торфяном основании, армированных георешетками «ПРУДОН-494» [56].

Результаты проведенных патентных исследований по наличию различных отечественных видов объемных георешеток и армогрутовых конструкций на слабых основаниях сведены в таблицу 3.

Таблица З — Результаты патентных исследований

Тип конструкции

Решетка с ячеистой структурой

Рис. 19. Общий вид георешетки в рабочем (растянутом) положении

Рис. 20. Решетка в транспортном (сложенном) положении

ристы СМ сварные швы

Источник

Ах. 2129189 Е 02 D 17/20 А.И. Ким, К.К. Бражников Управление Начальника работ Заяв. 04.06.98 Опуб. 20.04.99 Бюл. № 11

Краткая характеристика

Цель изобретения — повышение несущей способности укрепляемых грунтовых поверхностей за счет возможности изменения угла наклона сварного шва от 90 и менее и повышения его прочности, а также увеличение срока службы возводимых сооружений.

Решетка с ячеистой структурой для стабилизации и закрепления грунтовой поверхности выполнена из гибких полимерных полос, установленных на ребра и соединенных между собой сварными швами в шахматном порядке. Полосы изготовлены из состава, содержащего смесь полиэтилена высокого давления и полиэтилена низкого давления, а швы расположены вертикально или наклонно по отношению к ребрам на расстоянии 0,2-1,0 м друг от друга и имеют прочность при частоте сварки 18-25 кГц не менее 100 кг/см².

В смесь полиэтилена высокого давления и полиэтилена низкого давления вводят пигменты или технический углерод.

Решетка выполнена из полос, имеющих толщину 1,2-1,4 мм. Длина решетки составляет 5,25-7,0 м, а ширина-1,0-2,5 м

PlIC. 21. Схема соединения листов

На рисунках приведены следующие обозначения

А - длина решетки в рабочем положении, равная 5,25-7,0

м;

Ао - длина решетки в сложенном положении;

В - ширина решетки в рабочем положении, равная 1,0-2,5;

Во - ширина решетки в сложенном положении;

а=Ь - ширина ячейки в решетке в растянутом (рабочем)

положении;

Ьо - ширина ячейки в решетке в сложенном положении;

h - высота решетки, равная 0,05-0,2 м;

С - ширина сварного шва;

D - расстояние между швами.

PltC. 22. Решетка с ячеистой структурой в растянутом (рабочем) положении

Решетка с ячеистой структурой для укрепления грунтовой поверхности

А.с. 2136817 Е 02 D 17/20 А.В. Егоров, Р.Х. Каримов, И.И. Ленков, О.В. Рыбаков, М.М. Яковлев Заяв. 20.01.99 Опуб. 10.09.99 Бюл. № 25

Продолжение таблицы 3

Цель изобретения — создание решетки ячеистой структуры для укрепления грунтовой поверхности откосов, лишенной перечисленных недостатков и обладающей повышенной устойчивостью к действию ветровой и водной эрозии, а также повышенной долговечностью в процессе эксплуатации.

Решетка с ячеистой структурой для укрепления грунтовой поверхности изготовлена из полимерных перфорированных полос, установленных на ребра и соединенные между собой в шахматном порядке сварными швами 1 с образованием в растянутом, рабочем состоянии ячеистой структуры. Гибкие полимерные полосы 2 выполнены из композиции на основе полиамида с 5-38 мас.% полиэтилена, полисульфона или композиции на основе полиэтилена высокой плотности с 10-90 мас.% полиэтилена низкой плотности, шаг перфорации гибкой полимерной полосы составляет в продольном и поперечном направлениях от 15 до 70 мм, а размеры перфорации выбраны от 3 до 16 мм.

Продолжение таблицы 3

Перфорация гибкой полимерной полосы выполнена круглой, овальной, квадратной, прямоугольной или треугольной.

Длина решетки в рабочем положении составляет от 5 до 14 м, ширина от 0,7 до 4 м, а высота от 0,08 до 0,22 м. Размеры ячейки решетки в рабочем положении составляют в продольном и поперечном направлениях от 50 до 500 мм.

Толщина гибкой полимерной полосы составляет от 0,7 до 1,6 мм.

В материал гибкой полимерной полосы введен углерод, и/или каучук, и/или красители.

Б Фиг1

PltC. 23. Устой моста

Патент №1581806 Е 01 D 19/00 Э.А. Балючик, Ф.И. Целиков, Л.М. Бирюкова, С. А. Шульман, С.С Тка-ченко, Б.В. Бруси-ловский Заяв. 11.05.88 Опуб. 1.04.90 Бюл. № 35

Изобретение относится к мостостроению и может быть использовано при возведении мостов, путепроводов, эстакад. Целью изобретения является обеспечение возможности использования устоя на естественных основаниях из грунтов со слабой несущей способностью. Устой включает опорное устройство диванного типа, установленное на щебеночную подушку, переходную плиту и подходную насыпь, образованную слоями армогрунта 5, расположенную на естественном основании. По всей площади естественного основания расположен дренирующий слой 6 с размещенной поверх него мембраной из перекрещивающихся в плане полос 7 и 8 геотекстильного материала, края которого завернуты с образованием грунтовых валиков 9 по всему периметру основания, причем лицевая поверхность подходной насыпи и грунтовые валики 9 покрыты защитным слоем грунта с образованием уступа 11 над валиками.

Продолжение таблицы 3

_О

11 ^Г7 „*.*

Фаг 1 Рис. 24. Устой моста

Фиг. 1

PlIC. 25. Защитное сооружение от опасных геологических процессов в вечномерзлых грунтах

Ах. 1585426 Е 01 D 19/00 Э.А. Балючик, Ф.И. Целиков, Л.М. Бирюкова, С.А. Шульман, С.С. Ткаченко, Б.В. Брусиловский Заяв. 08.09.88 Опуб. 15.08.90 Бюл. № 30

Патент №2185474 Е 01 D 4/00 Л.М. Бирюкова, Б.Г. Петров, М.Г. Камаева, В.Г. Демин

Заяв. 02.03.01 Опуб. 20.07.02 Бюл. № 20

Изобретение относится к мостостроению и может быть
использовано при сооружении береговых устоев искусст
венных сооружений. Цель изобретения - предотвращение
пучения при выполнении искусственного основания из
местного грунта. Устой моста включает опорный элемент
1 диванного типа, установленный на щебеночную подуш
ку 2, переходную плиту 3, расположенную в теле насыпи
4, естественное грунтовое основание 5, искусственное ос
нование 6 из грунта с расположенными в нем послойно
полотнищами 7 из водопроницаемого геотекстильного
материала, окаймляющими слои грунта с трех сторон, и
защитную облицовку 8. По торцовому контуру и по верх
нему участку искусственного основания 6 расположены
заполненные дренирующим грунтом пакеты 9 из геотек
стильного материала. Устой снабжен прослойками 10 из
дренирующего грунта. За пакетами 9 расположена отсып-
ка из местного грунта 11.

Изобретение относится к области транспортного строительства в горной стесненной местности и может быть использовано как защита железных и автомобильных дорог, промышленных объектов, населенных пунктов от геологических процессов, как элемент транспортной развязки, как промежуточное звено между тоннелем и мостом при устройстве дорог в двух уровнях. Защитное сооружение включает галерею из металлических гофрированных структур арочного типа, опирающуюся на железобетонные опоры и амортизирующую отсыпку. Новым является то, что сооружение имеет подпорные стены из слоев армированного уплотненного грунта постоянной толщины 0,5 м, переменной ширины, уширяющейся по мере удаления от концевого участка галереи, переходящего в амортизирующую отсыпку, примыкающую к кровле

Продолжение таблицы 3

л л'Хлд л л **^^^

WA\VAVVA\VA4VA

Водопропускное сооружение в армогрунтовой обойме

Фиг. 1

PUC. 26. Поперечный разрез водопропускного сооружения

Заявка 2004135012

входящий

№038095

Е 21 D 9/00

JIM. Бирюкова,

Г.Г. Орлов, ГА.

Кириллов

Заяв. 01.12.04

Опуб.

Бюл. №

галереи, плавно сопрягаясь со склоном под уклоном не
менее 1:2, при этом на поверхность каждого армогрунто-
вого слоя закладываются металлические анкеры. Техни
ческий результат изобретения состоит в снижении мате
риалоемкости и трудозатрат на возведение сооружения
при обеспечении его требуемой прочности, устойчивости
и долговечности при высокой сейсмичности вечномерз-
лых грунтов в труднодоступных горных районах.

Водопропускное сооружение в армогрунтовой обойме, взаимодействующее со сложными природными процессами, включающее трубу из стальных гофрированных оцинкованных структур, изогнутых по заданному радиусу и скрепленных болтами и гайками со сферической опорной поверхностью внахлестку, опирающееся на профилированное ложе основания, отличающееся тем, что сооружение имеет обволакивающую армогрунтовую обойму из слоев армированного уплотненного грунта постоянной толщины не менее 500 мм, уширяющуюся по мере удаления от поверхности металлической гофрированной структуры, плавно переходящую в примыкающую насыпь. Водопропускное сооружение 1 включает в себя: трубу из металлических гофрированных структур 2, которую устанавливают на грунтовое ложе 3 и на уплотненный слой поверх объемной георешетки 4, которая укладывается на уплотненный выравнивающий нулевой слой 5; грунтовую обойму 6 из слоев уплотненного грунта, армированного прослойками из композитных армирующих материалов 7, демпфирующий слой 8, который отсыпается в едином технологическом процессе с устройством грунтовой обоймы на ширину 100-500 мм (из песчано-гравийной смеси).

Продолжение таблицы 3

Объемная подпорная стена с армированной застенной частью

PUC. 27. Фиг.1

Заявка 2005112092 входящий №013992 Е 02 Д 29/02 Л.М. Бирюкова, Г.С. Переселенков, С.А. Челобитченко, С.С. Ниязбеков Заяв. 25.04.05 Опуб. Бюл. №

Распорки 9 из объемной георешетки укладывают в армог-
рунтовом слое в местах наибольших значений горизон
тальных напряжений в металле трубы от поверхности ос
нования трубы до шелыги; над сводом (шелыгой) трубы
устраивается мембрана 10 из объемных георешеток и ар-
мированного грунта засыпки 11.

Объемная подпорная стена с армированной застенной частью, работающая в сложных природных условиях, в сейсмоопасных районах, включающая гофрированные модульные связанные секции коробчатой конструкции, расположенные друг на друге под различными углами, внутреннее пространство которых послойно заполняется сыпучим водопроницаемым материалом, отличающаяся тем, что в модульных секциях передние вертикальные элементы (колонны) соединены с вертикальными задними элементами (колоннами) при помощи стальных распорных листов, соединяющихся друг с другом резьбовыми соединениями и крепежами диаметром не менее 16 мм, кроме того, в застенной части модульных секций сформирована армогрунтовая конструкция в виде чередующихся слоев уплотненного дренирующего грунта и геотекстильных прослоек, толщиной не менее 400 мм, уширяющихся по мере удаления от поверхности гофрированных модульных секций и плавно переходящих в примыкающий откос.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 изображена лицевая грань объемной подпорной стены из металлических гофрированных элементов и армогрунтовая конструкция в застенной части модульной секции (рис. 27);

Продолжение таблицы 3

на фиг. 3 приведена схема по сооружению первого слоя объемной подпорной стены с армированной застеннои частью (отсыпка выравнивающего слоя, установка выдвижных стабилизаторов, установка лицевых щитов, расстилка армирующего материала) (рис. 28).

PUC. 28. Фиг. 3

2.1.2 Зарубежный опыт применения геосинтетических материалов

В зарубежной практике применение сооружений из армированного грунта в различных областях строительства дало положительные результы [51]. В 1968 г. в мире было построено более 2000 сооружений из армированного грунта общей площадью наружной поверхности более 5,0 млн. км . К 90-м гг. такие конструк-ции сооружены более чем в 40 странах мира общей площадью более 120 млн. км [51,52,57,58].

Наиболее значимыми сооружениями, построенными из армогрунта, являются подпорные стены в Пакистане, достигающие высоты 40 м и во Франции, где их высота составляет 15 м при длине 800 м. В различных странах уже построено более 230 армированных насыпей, в том числе насыпи высотой 12 м на высокоскоростной ж.д. в Японии [51, 52].

К настоящему времени за рубежом в различных странах возведено более 500 мостов, путепроводов и виадуков, подходные участки насыпей которых полностью или частично выполнены из армогрунта. В США, Франции, Испании, Австралии и других странах из армированного грунта устраивают устои мостов [51,52].

В последние годы для укрепления основной площадки ЗП железных дорог широко используют георешетки (сварные и плоскостные).

Область использования геотехнических решеток широка - усиление откосов, вертикальных стенок, насыпей, армирование ЗП с целью его стабилизации [59, 60, 61].

Георешетки впервые использовали в США на опытном участке в районе Далласа, где слабые грунты также были причиной систематических просадок пути.

Начиная с 1991 г. в Центре транспортных технологий (ТТС) в Пуэбло, США, велись исследования и испытания различных методов укрепления пути на слабом ЗП в условиях высоких осевых нагрузок от подвижного состава. Для этого участок экспериментального пути, предназначенного для изучения тяжеловесного движения, уложили на заведомо слабом основании и провели несколько циклов испытаний. В начале 1997 г. на опытном участке уложили GEOWEB, имеющий ячеистую структуру с переменной высотой открытых сверху и снизу ячеек. В данном случае высота ячеек была равна 205 мм [62].

Использование объемной георешетки Geoweb на автодороге Highway Е, штат Висконсин позволило решить проблему труднопроходимое весной - из-за затопления участка протяженностью 1,2 км с образованием на нем плывунов и заиливанием; зимой - из-за образования ухабов и колей [63]. После укладки георешетки ячейки засыпали гравийно-песчаной смесью. Этот метод разработан Американским корпусом военных инженеров экспериментальной станции водных путей (U. S. Army Corps of Engineers Waterways Experiment Station). При эксплуатации в зимнее время отмечено хорошее состояние дороги; летом 1985 г. устроили покрытие.

На острове Шишмарев в западной части Аляски, в 632 км южнее Северного полярного круга сооружали взлетно-посадочные полосы (ВПП), РД и приангар-ные площадки [63]. ВПП устраивали на уплотненной песчаной насыпи высотой

1,2 м, что защищает ВПП от снежных заносов. Всего было уложено 3,5 тыс. гео-решеток Geoweb высотой 0,2 м площадью 484,96 тыс. м .

Во Франции для усиления дорожных покрытий широко применяют геосинтетические материалы: геотекстиль, пропитанный битумом, георешетки [64, 65].

При усилении дорожного покрытия дороги СД10 в г. Пупри (департаменты ЭР и Луар) применены георешетки марки Tensar, выполненные на базе полипропилена и вытянутые в двух направлениях с ячейками размером 71x46 мм [64]. Дорога, построенная в 40-х годах, имела покрытие из неармированного бетона, уложенного на толстый слой основания из трещиноватого известняка Участок, подлежащий реконструкции, длиной 1300 и шириной 5,6 м находился в очень плохом состоянии. Поверх слоя гравийно-грунтовой смеси укладывали георешетки Tensar, которые прикрепляли гвоздями при помощи пневматического молотка. После укладки георешеток по ним возможно возобновление движения строительных машин.

Фирма Societe d'Application du Texsol (Франция) разработала метод укрепления грунтовых сооружений волокнами синтетических материалов [64]. Упрочненный таким образом грунт обладает увеличенным сцеплением в трехосном измерении. В укрепленном по методу Texsol грунтовом сооружении, сложенном из песка, силы сцепления на поверхности контакта грунта с синтетическими волокнами достигают величины 0,1 МПа (при соотношении синтетических добавок и грунта 1:1000). По данным фирмы, после укрепления таким способом обеспечивается устойчивость вертикальных и наклонных (до 60%) стенок песчаного сооружения высотой до 9 м.

Во Франции нашел широкое применение в дорожном строительстве материал Nidaplast ячеистой структуры в виде пчелиных сот, который получают в процессе экструдирования полипропилена, полиэтилена или каких-либо других термопластичных материалов. Так при пересечении отстойного бассейна сахарного завода на автодороге А 26 Кале-Реймс были возведены насыпи облегченной конструкции, где израсходовали 4200 м³ блоков из материала Nidaplast [63].

В Германии разработан способ сооружения устоев автодорожных мостов с использованием армогрунта [64]. Он состоит в замене монолитного или блочного железобетона в конструкциях устоя тонкой стеной из железобетонных блоков, закрепленных стальными полосами в грунте. При этом конец пролетного строения опирается на самостоятельную облегченную опору.

В 1980 г. были сооружены два опытных армогрунтовых устоя для трехпутного ж.д. моста с пролетом в 16 м [64]. Строительство указанных устоев подтвердило мнение о возможности сооружения подобных конструкций армогрунтовых устоев по относительно простой технологии и в короткие сроки.

При строительстве новой скоростной ж. д. линии Мангейм-Штутгарт для укрепления притрассовых дорог были использованы геотекстильные материалы трех видов: из нетканых материалов, тканевых полотнищ, из комбинированных материалов. Опыт показал, что после укладки тканевых полотнищ и защитного слоя толщиной 20 см по дороге можно пропустить тяжелую технику общей массой до 36 т. Суммарная экономия в стоимости строительства и эксплуатации транспортных дорог с применением тканевых полотнищ составляет от 10 до 30% [64].

В Великобритании для усиления насыпи высотой 3,5 м с откосами крутизной 1:1 применяли полотнища геотекстиля Ferrom. При этом толщина грунтовых слоев ("шаг" армирования) составляла 0,5 м. После устройства насыпи на полную высоту ее откос засыпали естественным грунтом и покрывали проволочной сеткой для защиты грунта от сползания [64, 66, 67, 68].

Примером экономичного сооружения из армированного грунта является подпорная стенка откосов автострады высотой 9,6 м в г. Дьюсбери. В этой конструкции в качестве насыпного материала использована зола-унос, в качестве армирующих элементов - сетки из геотекстиля типа Tensar Geogrid [64].

В Великобритании при строительстве автодорог впервые использован опыт строителей Норвегии - применение легких вспененных материалов в сложных грунтовых условиях (на слабых пучинистых грунтах). Для этого используются плиты из вспененного полистирола размерами 3x1x0,5 м, которые укладывают на выровненный слой песка. Поверх плит укладывается слои железобетона. Подобный легкий материал использован для образования тела насыпи мостового подхода, возводимого на пучинистых глинах. Применен также экструзионный полимерный материал с фирменным названием Stirofoam, отличавшийся большими прочностью и жесткостью и меньшей степенью возгораемости [64].

В Японии особенно эффективно армогрунт применяется в случаях необходимости расширения насыпей при строительстве вторых путей на косогорах [51, 52].На скоростной ж.д. линии Токио-Осака, на участках, где насыпи отсыпаны из неустойчивых грунтов, в процессе строительства осуществляли укрепление отсыпанных слоев грунта укладкой нейлоновой сетки, прочность которой на растяже-

ниє составляла от 0,185 до 0,683 тс/п.м. При этом прочность грунта насыпей, армированных этой сеткой, получалась в среднем в 1,5-2,0 раза выше, по сравнению с насыпями, отсыпанными без применения сетки [64].

При строительстве автодороги в Швейцарии (Рупперсвилль) был построен армогрунтовый вал для защиты от шума [64]. Для армирования использовался тканный геотекстиль марки "Стабиленка 200".

Представляет интерес опыт строительства дороги на болотистой местности с использованием геотекстиля в Шотландии [64]. Участок затопляемого торфяного болота длиной 540 м, слой торфа и илистой глины составляет здесь 17 м. Под насыпь дороги с обеих сторон моста был создан геотекстильный матрас. Для этого торф был удален на глубину 1-2 м; затем в траншею был уложен геотекстиль марки "Стабиленка 600", засыпан слоем камня, а поверх засыпки уложен слой геотекстиля марки "Стабиленка 300". Поверх этого матраца была отсыпана насыпь высотой 5 м из дренирующего материала и оставлена до завершения осадки, что предполагалось через 11 месяцев. Затем было уложено покрытие проезжей части автодороги шириной 7.3 м из асфальтобетона по подготовке из тощего бетона.

В Польше для устройства насыпей на слабых основаниях (торф, ил) применяют упругие плиты, представляющие собой замкнутый со всех сторон мешок из геотекстиля, заполненный чистым гравием с большим коэффициентом фильтрации [64].

В зарубежной практике имеется также некоторый опыт использования синтетических материалов для элементов верхнего строения пути (ВСП). Наибольший

интерес представляет опыт создания мешков из полиэфирного материала, наполненных уплотненным балластом и заменяющих шпалы на опытном участке пути в Австрии [64]. В то же время ВСП с геотекстильными мешками вместо шпал обладает лучшими упругими характеристиками, чем традиционные конструкции пути. Результаты испытаний показали также, что данная конструкция оказывает значительно большее сопротивление пучению, чем традиционная (с бетонными и деревянными шпалами), способствует понижению шума и вибрации. Испытания подтвердили, что гравий (в качестве заполнителя мешков) обладает лучшей упругостью, чем измельченный камень.

Применение нетканых синтетических материалов (НСМ) в нашей стране менее развито, это видно по разнообразию применяемых материалов (в США, Франции, Германии, Японии применяют не только полотна с различными механическими характеристиками, но и геотехнические сетки, решетки и др.) [64]. За рубежом обязательным является устройство защитного слоя основной площадки. Это влияет не только на конструкцию ЗП, но и на технологию обеспечения его качества, так как наличие защитного слоя из высококачественного грунта с большой плотностью (св. 1,00) гарантирует минимальные деформации ЗП как в период эксплуатации, так и при поездной возке балластных материалов.

В нашей стране в настоящее время конструкции ЗП с применением защитного слоя разработаны и представлены в ВСН 205-87 [69]. Помимо этого разработаны технические указания и методические рекомендации по использованию геосинтетических материалов при усилении ЗП железных и автомобильных дорог на слабых основаниях [70, 71, 72, 73, 74].

За рубежом единых норм и правил проектирования и строительства транспортных коммуникаций с применением геотекстиля нет. Для каждого типа геотекстиля технология применения разрабатывается индивидуально, поскольку физико-механические свойства и условия применения геосинтетических материалов существенно различаются. Однако выработаны как система укрепления земляных сооружений, при наличии технико-экономического обоснования (ТЭО), так и набор технологий для ее реализации. В действующих в Европе нормах по применению армированного грунта [75] под арматурой подразумеваются не геосинтетические, а мателлические, деревянные и т.п. материалы. В России геосинтетические материалы используют для армирования земляных сооружений главным образом на участках индивидуального проектирования.

И в нашей стране, и за рубежом геосинтетические материалы применяют в различных областях строительства: для укрепления и создания более крутых откосов насыпей железных и автомобильных дорог и армирования их оснований; при строительстве временных дорог (зимников); для создания дорожной одежды а/д и балластной призмы железнодорожного пути, в конструкциях ВПП; при сооружении путей промышленных предприятий, подъездных и станционных путей, автодорожных переездов и путепроводов, придорожных канав; в конструкциях подпорных стен; в устоях мостов и подходах к мостам, в конструкциях водопропускных сооружений и противолавинных галерей; фундаментах различных сооружений и пр.

Использование геотекстиля в конструкциях ЗП железных и автомобильных дорог, сооружаемого на слабых грунтах (водонасыщенных, заторфованных и или-

стых), обеспечивает равномерную осадку основания насыпей, сохранение проектных очертаний, предупреждение расползания и выпора грунтов основания в стороны, сохранение объемов отсыпаемого грунта за счет уменьшения осадок основания насыпи в процессе эксплуатации и сохранения границы раздела между грунтами без возможности их взаимопроникновения. На ВМГ, в том числе на марях, применение геосинтетических материалов позволяет сохранить почвенно-растительный слой, повысить жесткость конструкции, вести отсыпку насыпей в любое время года из переувлажненных глинистых грунтов, а также на нулевых отметках в высокотемпературной зоне вечной мерзлоты без замены их на дренирующий слой, облегчить ремонтные работы, уменьшить трудовые затраты по содержанию ЗП и пути в целом, сократить сроки строительства.

2.2 Условия и область применения геосинтетических материалов для земляного полотна в вечномерзлых и сезонномерзлых грунтах

Развитие химической промышленности и достижения в производстве полимерных материалов позволили использовать их в армогрунтовых конструкциях.

Армирование грунта придает ему дополнительные положительные свойства. В то время как обычные рыхлые грунты практически не воспринимают растягивающих усилий, армогрунт успешно работает на разрыв. Армирующие прослойки, работая совместно с грунтом, вызывают перераспределение напряжений между участками массива, обеспечивая передачу напряжений с перегруженных зон на соседние недогруженные, вовлекая их в работу.

Варьируя прочностными свойствами геосинтетических материалов (т.е. изменяя вид материала), можно создавать различные армогрунтовые композиции и

достичь требуемой несущей способности местного грунта, что и дает возможность использовать его в качестве основного строительного материала. Это свойство особенно ценно в районах с дефицитом кондиционных грунтов.

2.2.1 Классификация геосинтетических материалов

Геосинтетические материалы - общее название для всех видов синтетических материалов, которые используются в различных отраслях строительства. В последнее время различные фирмы-производители предлагают широкий ассортимент геоматериалов со способами их применения. Несмотря на огромный опыт внедрения и разнообразность геосинтетических материалов, ощущается потребность в существенном улучшении показателей прочности, технологичности и универсализации их применения и наиболее перспективным в этом представляется расширение производства и использования объемных георешеток.

Классификация геосинтетических материалов Росавтодора [74] не содержит нового вида - объемных георешеток. Доработанная автором классификация отражена на рис. 29.

Геосинтетические материалы

Рис. 29. Виды геосинтетических материалов

Геосетки изготавливаются из минерального сырья, синтетического волокна или пластмассы в виде сетчатых структур с различными узловыми соединениями и величиной ячеек. В зависимости от технологии изготовления и типа узловых соединений различают: тканые, тянутые и слоистые сетки. К тканым геосеткам относятся тканые материалы с ячейками более 10 мм. Тянутые геосетки изготавливаются из синтетических рулонных материалов, которые первоначально перфорируют и вытягивают в одном или двух направлениях (вдоль и поперек), вследствие чего молекулы полимеров ориентируются в направлении растяжения и уменьшается относительное удлинение. Кроме того, благодаря неподвижности узловых точек достигается распределение нагрузки между продольными и поперечными элементами сетки. Слоистые геосетки изготавливаются из крестообраз-

но уложенных лент, связанных в местах контактов [74].

Геотекстиль возможен двух типов: тканый и нетканый. Нетканые материалы получают в результате скрепления синтетического холста уложенными по плоскостям друг на друга элементарными нитями (бесконечными волокнами) - элементарными неткаными нитями (филаментами) или штапельными волокнами длиной от 3 до 5 см. Скрепление может быть механическим (прокалывание иглой или зашивание), адгезионным (с помощью соединительного клеящего средства) или когезионным (термическое воздействие). Тканые материалы состоят из скрещивающихся нитевых систем (пряжи), различаются по виду пряжи (пряжа из штапельного волокна, мультиволоконная пряжа, крученая нить, моноволоконная пряжа, узкие полоски, неразрезные из пленки, срощенная нить); по ее переплетению (полотняное переплетение типа «рогожка» и каркасное); по количеству нитей на единицу длины [70].

Геомембранами называются рулонные материалы, характеризующиеся очень низкой водопроницаемостью, изготавливающиеся из синтетических полимеров или битумов иногда в сочетании с природными глинами [74].

Геоматами называются трехмерные водопроницаемые структуры из минеральных, синтетических, органических элементов, соединенных между собой термическим, механическим или другим способом, которые используются для укрепления откосов насыпей [74].

Комбинированные материалы (геокомпозиты) состоят из объединенных между собой в различных вариантах нетканых материалов, тканей, сеток [74].

К геосинтетическим материалам следует отнести пенопласты, как гидроизоляционный и теплоизолирующий материал, используемый в земляных конструкциях для регулирования ВТР сезонно- и многолетнемерзлых грунтов.

Георешетками называются плоские материалы в виде регулярной прямоугольной сетки, размер открытых ячеек которой существенно больше составляющих ее элементов [74].

Необходимо выделить особый вид георешеток - объемные георешетки -трехмерные сотовые конструкции.

Объемная георешетка представляет собой гибкий компактный модуль, состоящий из скрепленных между собой полимерных лент, образующих в растянутом положении пространственную ячеистую конструкцию с заданными геометрическими сочетаниями и размерами (рис. 19-21).

Разработчиками сотовых георешеток является фирма Presto Product Company (США). Вследствие проведенных в начале 70-х гг. Специальной лабораторией Инженерных войск США исследований и испытаний фирма Presto Product Company разработала сотовую георешетку GEOWEB, выпускаемую в настоящее время ЗАО «Престо-Русь».

GEOWEB секции могут быть со стандартной ячейкой и крупноячеистые (рис. 30,31).

Также секции Геовеб могут быть снабжены прорезями для подошвенного дренажа воды или других жидкостей из материала, заполняющего ячейки, или серией расположенных по одной линии отверстий в стенках ячеек для вставления арматурных пучков в направлении расширения секции (рис. 32, 33).

НАПРАВЛЕНЕ РАСТЯЖЕНИЯ

НАПГАВЛГННГ РЛСТЯЖІНИЯ

203-ми

пр*р*цвн от 0,61 и ДО 9,

W.

С/ К / х х > У У- '- *

>, .-:| .4 ^>, .-:, ;«Ч ,V. .-:, .-< J*

Стандартная ширма 2,44 и

і IJ» fiixJv

ЧВВлм

_{S-A/V vV}

ЧОБ,

Рис. 3ft Стандартная А-секцш

Рис. 31. Крупноячеистая А-секция

рмаїлрнмй

секция Geoweb

прорезь для дренажа

ироснгрленное отверстие

Рис. 32. Секция Геовеб с прорезями

Рис. 33. Секция Геовеб с отверстиями для арматурных пучков

Близкую по конструкции к Geoweb георешетку из полиэтиленовых лент, на-

зываемую Tenweb, выпускает фирма Тепах (Италия) (рис. 34).

Рис. 34. Георешетка Тепах Tenweb Отличие георешетки Tenweb от решетки Geoweb заключается в способе со-

единения между собой лент полиэтилена. В георешетке Tenweb ленты материала

соединены между собой не линейным вертикальным швом, как это имеет место у георешетки Geoweb, а термоконтактной сваркой нижней и верхней зоны лент. За счет этого при растяжении георешетки Tenweb в средней части ячеек между сварными точками образуется щель, которая обеспечивает фильтрацию влаги. С другой стороны, прочность такого соединения может уменьшаться, что требует для применения георешеток Tenweb более прочных материалов [76, 77, 78].

Одним из лучших и перспективных Российских материалов для объемного армирования грунта является геотехническая решетка «ПРУДОН 494», выпускаемая ОАО 494 УНР в Московской области (рис. 35).

Рис. 35. Общий вид георешетки Прудон-494

ООО «Геостройкомплекс» выпускает объемная георешетку Геокаркас. Геокаркас представляет собой конструкцию из полиэтиленовых лент толщиной 1,5 мм, скрепленных между собой сварными высокопрочными швами в шахматном порядке (рис. 36).

()4

Рис. 36. Общий вид георешетки Геокаркас В грунтовых сооружениях районов вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания следует определить роль и место объемных георешеток в сочетании с другими видами геосинтетических материалов по стабилизации горизонтальных нагрузок и устранению возникающих деформаций.

2.2.2 Принципы работы геоматериалов

Исходя из особенностей работы текстильной прослойки в грунтовом массиве синтетический текстильный материал (СТМ) может выполнять роль арматуры, разделяющей мембраны, фильтра, дрены, капилляропрерывателя и защитного слоя (табл. 4). Во многих случаях укладка текстильной прослойки может дать комплексный эффект [42].

Армирующий эффект текстильной прослойки проявляется двояким образом. Во-первых, текстильное полотно за счет собственной прочности и сопротивления растяжению препятствует сдвигу одних частей грунтового массива относительно других. Во-вторых, прослойка, работая совместно с грунтом, вызывает перераспределение напряжений между частями массива, обеспечивая передачу части нал-

ряжений с перегруженных зон на соседние недогруженные участки, вовлекая их в

работу [42].

Таблица 4 - Использование синтетических текстильных материалов в транс-
портных сооружениях

Повышение несущей способности грунта

Снижение неравномерности осадок насыпей на слабых грунтах

Повышение устойчивости основания насыпи

Снижение неравномерности морозного пучения

Обеспечение уплотнения конструктивных слоев при податливом подстилающем грунте

Повышение допустимой крутизны откосов

Повышение трещиностойкости монолитных слоев

Повышение долговечности конструктивных слоев при повторной нагрузке

Дренирующие прослойки в дорожной одежде

Дренирующие прослойки на контакте насыпи с ее основанием

Вертикальные дрены в основании насыпи

Дренирующие прослойки в насыпях из переувлажненных грунтов

Фильтр

В швах бетонных покрытий

В дренажных системах

В конструкциях укрепления откосов

Капилляропрерыватель

Дефекты и деформации

Дефектами ЗП являются любые недостатки в его конструкции, возникшие в результате нарушения технических условий, норм и правил производства инженерно-геологических изысканий, проектирования, строительства и эксплуатации. При определенных условиях дефекты способствуют развитию деформаций (изменений во времени первоначальной формы, размеров и литологического строения ЗП, вызываемые неблагоприятным воздействием природных и антропогенных факторов), повреждений и даже разрушений или являются их причиной [15].

Классификацией охвачено 37 основных видов деформаций, повреждений и разрушений ЗП, все они разделены на пять групп [24]. Группа I - повреждения и деформации основной площадки; Группа II - повреждения откосов; Группа III - повреждения и разрушения тела ЗП; Группа IV - повреждения и разрушения основания ЗП; Группа V - повреждения и разрушения ЗП, поврежденного неблагоприят 18 ными природными воздействиями. Классификация основных дефектов и деформаций ЗП, предложенная Т.Г. Яковлевой, представлена в следующей структурной схеме (рис. 7) [15].

Наиболее распространенным видом деформаций ЗП в условиях распространения ВМГ являются осадки насыпей на протаивающем основании. Они проявляются как в виде резких локальных просадок пути, так и в виде протяженных "волнообразных" участков.

При этом осадки протекают крайне неравномерно, приводя к значительным расстройствам рельсовой колеи ж.д. (дорожной одежды а/д), вызывая необходимость частых выправок и подъемок пути (ремонтных работ на а/д). По причине этих деформаций снижается безопасность движения поездов (автомобильного транспорта), что приводит к значительному увеличению количества ограничений скорости (увеличению числа дорожно-транспортных происшествий (ДТП)).

Основной причиной деформаций является деградация вечной мерзлоты в основании, вызванная нарушением естественных условий теплообмена между атмосферой и грунтовым массивом, выражающихся в:

замене в зоне сезонного оттаивания-промерзания слоя торфа или переувлажненного суглинка на дренирующий маловлажный грунт;

уменьшение испарения и увеличение инфильтрации тепловых атмосферных осадков через оголенные поверхности контура насыпи в сравнении с естественными маревыми ландшафтами;

увеличение поглощения солнечной радиации поверхностями контура насыпи в сравнении с естественными маревыми ландшафтами;

ухудшение условий стока поверхностных вод вблизи насыпей, приводящих к отепляющему влиянию углублений поверхности, заполненных водой и фильтрирующихся через насыпь потоков.

Кроме многолетних осадок из-за деградации мерзлоты на невысоких насыпях, где сезонное промерзание достигает основания, возможно морозное пучение с последующей при оттаивании осадкой. Неравномерность сезонного промерзания и осадок по поперечному профилю создает предпосылки к расползанию откосных частей насыпи.

Таким образом, в районах вечной мерзлоты и глубокого сезонного промерзания можно выделить следующие основные дефекты и деформации:

1) основной площадки ЗП - пучины (искажения положения рельсовых нитей в продольном и поперечном профилях в виде пучинных горбов, пучинных впадин, пучинных перепадов, требующие исправления пути, и возникающие вслед ствие неравномерного вспучивания грунтов при промерзании. При оттаивании грунтов возможны пучинные просадки);

2) откосов - размывы (поверхностные нарушения откосов атмосферными водами. При размывах, связанных с оттаиванием грунта, разжиженная масса стекает по подстилающему мерзлому слою к основанию откоса, на закюветную полку, в кювет); смывы откосов насыпей (смещение поверхностного слоя грунта, в том числе балластного шлейфа с захватом обочины и части балластной призмы без нарушения общей устойчивости насыпи);

3) тела и основания ЗП - осадки и расползание насыпей на оттаивающих ВМГ (неравномерные осадки насыпи, сопровождающиеся расползанием откосных частей, на мари за счет пластических деформаций (выдавливания) слоя талых глинистых грунтов основания, находящихся в текучем состоянии, под подошвой насыпи при оттаивании сезонно-промерзающего слоя); подмыв основания ЗП водными потоками;

4) слабых оснований - оседание насыпи вследствие выпирания грунтов насыпи; оседание насыпи вследствие уплотнения грунтов основания.

Для предотвращения и своевременного выявления и устранения дефектов и деформаций необходимо применять превентивные мероприятия, основываясь на расчетах прочности и устойчивости ЗП и его основания.

Зарубежный опыт применения геосинтетических материалов

Современный тип армирования грунта был разработан Видалем в 60-х гг. Идея состояла в создании композитного материала, образуемого плоскими армирующими полосами, которые укладывались горизонтально в грунт, обладающий определенным трением, взаимодействие между грунтом и армирующими элементами обеспечивается за счет трения, вызванного гравитационными силами. Этому материалу было присвоено название «армированный грунт», термин, который стал общепризнанным во многих странах [41].

Многие армирующие материалы не были долговечны. В первой половине XX в. Койн осознал проблему коррозии, важность которой отмечалась также Видалем. Технический прогресс позволил использовать для армирования искусственные или техногенные материалы. В конце 60-х и начале 70-х гг. достижения в производстве синтетических и геотекстильных материалов позволили использовать их при строительстве сооружений из армированного грунта [42]. На международной конференции по использованию геотекстильных материалов для гражданских сооружений, состоявшейся в 1977 г. в Париже профессором Жиро был предложен термин «геотекстиль» для названия новых текстильных слоев, контактирующих с грунтом [43].

Опыт строительства различных сооружений из армогрунта показал следующие их преимущества по сравнению с традиционными конструкциями [44,45]: сокращение продолжительности строительства вследствие простоты технологического процесса, исключающего необходимость применения тяжелого сваебойного и кранового оборудования; возможность обходиться стандартным парком машин и механизмов; исключение «мокрых» процессов (таких как бетонирование); отсутствие необходимости заглубления фундамента (или значительное уменьшение величины этого заглубления); минимальное нарушение геологической структуры нижележащих слоев грунта; малое нарушение условий окружающей среды; значительно лучшая (примерно в 10 раз по сравнению с аналогичными сооружениями) способность поглощать энергию (например, возникающие от движения транспорта шум, вибрацию и др.); возможность строительства в различных грунтовых и топографических условиях (в том числе в стесненных городских); возможность использования местного грунта в качестве основного строительного материала; меньшая стоимость строительства; высокая надежность, в том числе меньшая чувствительность к неравномерным осадкам основания и сейсмическим воздействиям.

В нашей стране основной акцент при исследовании применения геосинтетических материалов в армогрунтовых конструкциях был сделан на материалы, выпускаемые отечественной промышленностью.

С участием ЦНИИСа, начиная с 80-х гг. XX в., в различных районах были запроектированы и построены армогрунтовые сооружения разного функционального назначения с использованием в качестве армирующих полотнищ отечественных марок геотекстиля [44] (табл. 2).

Примером использования местных грунтов и геотекстиля для усиления ЗП являются разработанные ЦНИИСом совместно с СибЦНИИсом и Ленгипротран-сом экспериментальные конструкции и технология сооружения насыпей из твердомерзлых грунтов в замкнутых обоймах из геотекстиля. Усиление насыпей из твердомерзлых грунтов устройством замкнутых или полузамкнутых геотекстильных обойм, сооружаемых в зимнее время по одноэтапной технологии, применили с использованием мелких пылеватых песков при строительстве ж.д. линии Ягельная - Ямбург. Наблюдения показали, что большие деформации (неравномерные осадки) были отмечены в первый сезон начального периода оттаивания, но по мере оттаивания и обезвоживания грунтов происходила постепенная стабилизация насыпей (при соответствующей выправке и подъемки пути). В течение первого летнего периода плотность грунта насыпи почти достигла нормируемой. В декабре 1987 г. на некоторых участках ж.д. линии Обская - Бованенково также возведены насыпи различной высоты из твердомерзлых грунтов в геотекстильных замкнутых обоймах и полуобоймах [46].

Рекомендации по методике расчета объемных георешеток при армировании дорог на вечномерзлых грунтах

Расчеты армогрунтовых конструкций на вечномерзлом основании должны учитывать особенности условий внешней среды. Вечная мерзлота может деградировать или наоборот прогрессировать, и это должно учитываться при расчетах. Для разработки метода расчета армогрунтовых конструкций на мерзлоте, целесообразно рассматривать раздельно расчет армированного грунта и расчет основания. При этом существующие методы расчета армогрунтовых конструкций являются исходной базой для последующих действий, но при этом учтены имеющиеся в них условности и недостатки. Они позволяют определить максимальное усилие в арматуре и коэффициент запаса устойчивости, но под арматурой понимаются только плоскостные модели - геосинтетические материалы в виде тканых, нетканых и сетчатых материалов, а объемная георешетка имеет высоту ребра, и при ее использовании создается пространственная конструкция. Устойчивость этими методами оценивается на прочном (жестком) основании, каким не являются мерзлые породы при оттаивании. Не учитывается эксплуатационная осадка, представляющая опасность в случае строительства на слабых основаниях, а также специфика проявления дефектов и деформаций при оттаивании мерзлых грунтов. Необходимо также одновременно вести расчеты на стабильность основания ЗП для недопущения необратимых деформаций.

При введении в конструкцию элементов, армированных объемной георешеткой: можно усилить внутреннюю устойчивость; возможно усиление внешней устойчивости, поскольку при укладке объемной георешетки в основание создается промежуточный переходный слой одновременно гибкий и прочный, в связи с этим принципиально меняется работа основания; расчеты ведут одновременно по КЦПС и МКЭ, при совместном расчете внутренней и внешней устойчивости (с заведением КЦПС в основание) вне зависимости от расположения объемной георешетки в теле сооружения созданный пространственный конструктивный элемент рассматривают работающим как армирующий слой; целесообразно параллельно проводить теплофизические расчеты, позволяющие варьировать конструирование армированного массива по исходным параметрам основания и гарантировать их достоверность.

Применение объемных георешеток при армировании дорог на ВМГ позволяет запроектировать насыпь с заданными геометрическими параметрами с обеспечением требуемого уровня прочности и устойчивости ЗП. Методика расчета и конструирования ЗП железных и автомобильных дорог на ВМГ с применением объемных георешеток построена на поэтапном выполнении операций: 1) Определение исходных параметров конструктивных элементов ЗП, внешних воздействующих факторов; 2) Определение коэффициентов устойчивости и стабильности неармиро-ванного ЗП и принятие решения о целесообразности его армирования; 3) Определение условий применения объемной георешетки (расположение в грунтовом массиве); 4) Проведение расчета конструктивных элементов по МКЭ и КЦПС с необходимой оценкой по теплофизическим расчетам; 5) Детальное конструирование по результатам полученных данных; 6) Проверка прочности и устойчивости в целом ЗП расчетом по МКЭ; 7) Анализ НДС армированного ЗП; 8) Корректировка, в случае необходимости, полученного конструктивного решения и повторное выполнение пунктов 6-7.

Отсутствие данных по поведению отдельных ячеек объемной георешетки внутри грунтового массива при доработке методики потребовало проведения экспериментальной оценки влияния на устойчивость ЗП параметров конструктивных элементов самой георешетки.

Полученные данные численных экспериментов позволили включить в основные положения доработанной методики расчета конструктивных элементов ЗП с применением объемных георешеток в вечномерзлых и сезонномерзлых грунтах использование на начальных этапах проектирования упрощенных методов расчета (Феллениуса, Бишопа, Шахунянца, Ренкина, Шлоссера и Видаля и др.), дающих быстрые и достаточно точные результаты, если георешетку с заполнителем рассматривать как единую структурную массу с новыми определенными характеристиками.

Выводы по главе 3

1. До настоящего времени отсутствовал единый метод расчета объемных георешеток. Показана возможность расчета пространственных конструкций армогрунтовых сооружений с объемными георешетками с определением максимального усилия в арматуре и коэффициента запаса устойчивости за счет комплексного использования МКЭ с достоверными данными, проверенными методом КЦПС и теплофизическими расчетами, что позволяет подробно описать криогенные процессы, изменения термовлажностного режима грунтов, учесть вводимые в грунт армоэлемены и одновременно вести расчеты на стабильность основания ЗП для недопущения необратимых деформаций. 2. Разработанная методика совмещения расчета и конструирования армированного объемными георешетками ЗП при варьировании в ходе итерации исходными данными как самих конструкций и оснований, так и внешних условий позволяет запроектировать насыпь с заданными геометрическими параметрами с обеспечением требуемого уровня прочности и устойчивости ЗП.

Моделирование фрагментов конструкций армированного объемной георешеткой грунтового массива

Различными учеными в разное время проводились испытания и натурные исследования поведения объемных георешеток в грунтовом массиве и показали спорные результаты.

Специальной лабораторией Инженерных войск США в начале 70-х годов проводились исследования методов скоростного строительства песчаных дорог на побережьях и в пустынях. Результаты многочисленных испытаний на трехосное сжатие различных зернистых заполнителей предусматривали, что объемная решетка GEOWEB придает, так называемое, кажущееся сцепление порядка 150 кПа. Сцепление обеспечивает дополнительную прочность при сдвиге по сравнению с природной. В результате испытаний на сдвиг рифленых решеток с зернистым заполнителем были получены коэффициенты трения, представляющие собой максимальные коэффициенты трения на поверхностях соприкосновения заполнителя и стенки ячейки, значения которых колеблются в диапазоне от 0,63 (для щебеночных материалов) до 0,81 (для крупнозернистых песков), а для гладкостенной решетки значения этих коэффициентов варьируют от 0,64 (щебень) до 0,61 (пески). Следовательно, некоторые щебеночные материалы не дают увеличения трения. Испытания перфорированных решеток GEOWEB с зернистым заполнителем показали, что характеристики на поверхности соприкосновения заполнителя и стенки ячейки аналогичны, а в некоторых случаях лучше, чем для рифленых решеток. В частности установлено, что отношения типовых коэффициентов трения для перфорированных георешеток составляет примерно 0,75 и 0,89 соответственно, эксплуатационные качества перфорированной георешетки с некоторыми материалами-заполнителями эффективнее, чем у рифленой. Кроме того, перфорированная георешетка позволяет принципиально решить проблему дренажа при устройстве на глинистых грунтах.

Результаты испытаний на сдвиг в камере трехосного сжатия по показателям максимальных углов трения (или отношение «угол трения стенки ячейки GEOWEB / угол трения заполнителя»), определенными как угол сопротивления сдвигу между зернистым заполнителем и стенкой ячейки георешетки, деленный на максимальный угол трения заполнителя, приведены в табл. 10 для стандартных стенок ячеек и типичных, уплотненных материалов-заполнителей.

Начиная с 1991 г. в Центре транспортных технологий (ТТС) в Пуэбло, США, велись исследования и испытания различных методов укрепления пути на слабом основании в условиях высоких осевых нагрузок от подвижного состава [62]. В начале 1997 г. на опытном участке уложили GEOWEB. В данном случае высота ячеек была равна 205 мм (рис. 55).

Испытания показали, что при наличии геосинтетического материала в пути средняя величина его модуля упругости увеличилась со 140 до 175 кг/см , а средние напряжения в слабом ЗП в подрельсовой зоне уменьшились с 0,9 до 0,7 кг/см2. С момента укладки GEOWEB по опытному участку пути пропустили 165 млн. т брутто поездной нагрузки, и наблюдавшиеся отклонения в положении пути не превышали допустимых Федеральной железнодорожной администрацией (FRA) для пути четвертого класса. При этом выправлять путь не понадобилось.

В грунтовом канале Союздорнии проведена серия испытаний Геовеба с заполнителем (песком) под нагрузкой от жесткого штампа с целью определения модуля упругости [110].

Испытания проводились с использованием стандартного прогибомера рычажного типа (рис. 56) в соответствии с методикой, изложенной в ВСН 46-83 [111].

Георешетка использовалась перфорированная, с ячейкой 20x20 см, применяемая, как правило, при строительстве дорожных одежд.

Ячейки георешетки заполняли песком с устройством защитного слоя и уплотняли при влажности, близкой к оптимальной.

На основе полученных данных построили зависимости упругой деформации от нагрузки (рис. 57) и по методике, изложенной в [111], определили общие модули упругости конструкции Е0бщ для каждого участка кривой в отдельности.

Исследования показали, что при помещении песка в георешетку Геовеб модуль упругости композита возрастает по меньшей мере в 4 раза по сравнению с исходным материалом.

Похожие диссертации на Методика расчета и конструктивно-технологические решения армированного объемными георешетками земляного полотна на вечномерзлых грунтах

Совершенствование методики расчета дорожных насыпей из пенополистирола на слабых грунтахМатюсова Евгения Юрьевна

Совершенствование методов расчета и технических решений безбалластного мостового полотна железнодорожных мостовОрешкин, Андрей Иванович

Оценка влияния неупругих свойств грунта земляного полотна на работоспособность дорожных одежд нежесткого типаЭдельман, Александр Валерьевич

Оценка качества существующих дорожных одежд нежесткого типа с учетом вариации влажности грунта земляного полотнаКокодеева Наталия Евсегнеевна

Обоснование региональных норм степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог : на примере районов Западной СибириАфиногенов, Алексей Олегович

Разработка технологии снижения пучинообразования глинистых грунтов земляного полотна управляемым защелачиваниемСамойленко, Алексей Борисович

Совершенствование методов расчета глубины сезонного промерзания пучинистых грунтов земляного полотна железнодорожного путиКим Хюн Чол

Расчет нежестких дорожных одежд по критерию безопасных давлений на глинистые грунты земляного полотнаДолгих Геннадий Владимирович

Применение метода динамического нагружения для экспресс-контроля уплотнения грунтов земляного полотнаАвакян, Сергей Альбертович

Строительство земляного полотна автомобильных дорог из грунтов повышенной влажности с вертикальными песчанными дренами Ширшов Евгений Васильевич