Введение к работе
Актуальность темы исследования. В соответствии с программой инновационного развития ОАО "Российские железные дороги" на период до 2015 г. планируется привести земляное полотно и искусственные сооружения к осевым нагрузкам 25 тс и погонным нагрузкам 10,5 т/м. Значительным сдерживающим фактором на пути достижения поставленной цели является наличие дефектного земляного полотна, протяженность которого оценивается специалистами ориентировочно в 6% от общей протяженности сети железных дорог. На всем этом протяжении нижнее строение пути работает на пределе своей несущей способности и повышение нагрузки на него может привести к критическим последствиям.
В этой связи особо актуальным становится вопрос повышения несущей способности эксплуатируемого земляного полотна. В сложившейся ситуации приоритетным направлением является совершенствование методов упрочнения земляного полотна, позволяющих эффективно производить проектирование и усиление эксплуатируемого инженерного сооружения без ограничения движения.
В настоящее время приобретают широкое распространение способы глубинного уплотнения, армирования и упрочнения грунтов, позволяющие проводить работы с откосов и обочин земляного полотна. Однако данные способы имеют ограничения в случае ликвидации балластных углублений земляного полотна поздней стадии развития, характеризующихся началом оползневых подвижек откосных частей. Направление исследований упрочнения земляного полотна, ослабленного балластными углублениями поздней стадии развития, является перспективным и актуальным, требующим комплексного подхода. Исследования должны быть направлены на эффективное усиление грунтов насыпи без перерывов в движении поездов, что, в свою очередь, может стать существенным шагом вперед в решении вопроса упрочнения земляного полотна.
Выбранное направление исследования согласуется с приоритетными направлениями развития науки Российской Федерации, перечень которых утвержден Указом Президента Российской Федерации в части развития транспортных систем, и позволяет повысить экономичность перевозок за счет снижения расходов на текущее содержание железнодорожной линии.
Степень разработанности. Изучению характера возникновения и развития деформаций откосных частей земляного полотна посвятили труды следующие ученые: Г.М. Шахунянц, Е.С. Ашпиз, В.В. Виноградов, Т.Г. Яковлева, В.И. Грицык, Г.М. Моченов, Г.Г. Коншин, Г.М. Стоянович, И.В. Прокудин, В.П. Титов, Н.Г. Грушевой, А.Г. Полевиченко и др.
Исследованию армирующих конструкций посвятили труды Е.С. Ашпиз, Д.В. Волоцкий, П.И. Дыдышко, Л.Г. Ибадуллаева, А.Л. Исаков, В.Ф. Калганов, Т. П. Кашарина, А.Ф. Колос, М.Я. Крицкий, С.Я. Луцкий, Э.А. Малоян, А.И. Мороз, Г.С. Переселенков, А.И. Песов, Б.Г. Петров, А.В. Петряева, П.Г. Пешков, Н.А. Подпрядов, СП. Преображенский, Ю.Б. Рейфисов, А. П. Родькин, Ю.Н. Савельев, Е.С. Свинцов, Г.А. Скормин, М.И. Смородинов, В.М. Страмоу, С.Д. Филимонов, Б. X. Фоксов, А.А. Цернант, Н.М. Abuel-Naga, D.T. Bergado, К.Д. Джоунс, Дж.П. Жиро, P.V. Palmeira, N. Тира и др.
Исследования инъекционных методов получили широкое распространение в области гражданского строительства и связаны с именами таких отечественных и зарубежных ученых, как И.М. Литвинов, С.Д. Воронкевич, Л.В. Гончарова, Д.В. Волоцкий, В.И. Осипов, А. Камбефор, Б.Н. Мельников, Н.А. Цытович, Г.Н. Никольская, Б.Н. Ржаницын, А.Н. Адамович, М. Люжон, Ф. Мулдер, В.К. Витке и др.
Объект исследования: железнодорожное земляное полотно, упрочненное методом армирования.
Предмет исследования: закономерности изменения механических характеристик грунтов земляного полотна при усилении их армированием.
Цель работы состоит в повышении устойчивости откосных частей насыпей земляного полотна железных дорог путем упрочнения грунтов объемным многоэлементным армированием.
Поставленная цель достигается в ходе решения следующих задач:
-
Провести анализ работы армирующих конструкций при различных схемах упрочнения и разработать расчетную схему упрочнения откосных частей и основной площадки насыпи, ослабленных балластными углублениями.
-
Установить границы области изменений механических характеристик грунтового массива при использовании объемного многоэлементного армирования.
-
Определить закономерности изменения механических характеристик грунтового массива при упрочнении его объемным многоэлементным армированием.
-
Разработать способ упрочнения земляного полотна железных дорог для обеспечения устойчивости откосных частей армированием, а также рекомендации по определению параметров и расчету упрочненного земляного полотна.
Методология и методы исследования. Поставленные задачи решены в ходе теоретических и экспериментальных исследований. Расчет напряженно-деформированного состояния земляного полотна выполнен с использованием
5 метода конечных элементов, в программном комплексе «Midas». Полевые эксперименты выполнялись на полномасштабных моделях насыпи. Разработка способа проведена с учетом опыта отечественных и зарубежных исследований. Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработан способ упрочнения земляного полотна объемным многоэлементным армированием, состоящий в формировании в массиве грунта объемной анизотропной структуры из горизонтально ориентированных линейных армирующих элементов, объединенных в единый каркас вертикально ориентированными элементами, сформированными путем нагнетания твердеющего раствора.
-
Установлены основные зависимости изменения механических характеристик упрочненного слоя от параметров упрочнения - глубины заделки в устойчивые слои грунта, шага расстановки точек инъекции раствора, шага стержней в горизонтальной плоскости.
-
Установлено, что применение объемного многоэлементного армирования позволяет повысить модуль деформации армированной среды до 45 МПа, предельное давление на кровле армированной среды — до 0,89 МПа.
-
Установлены условия применения способа объемного многоэлементного армирования, отражающие минимальные значения характеристик грунтов, слагающих область насыпи, сопряженную с ослабленной зоной: модуль деформации Е - не менее 11 МПа, удельное сцепление грунта с - не менее 0,012 МПа, угол внутреннего трения <р — не менее 18.
Теоретическая и практическая значимость работы. Проведена модернизация существующей математической модели, используемой в численном моделировании в совокупности с алгоритмом расчета напряженно-деформированного состояния железнодорожной насыпи, обеспечившая получение новых результатов по теме диссертационной работы.
Результаты исследования отражены в методике, позволяющей выполнять проектирование и осуществление упрочнения земляного полотна способом объемного многоэлементного армирования.
Способ упрочнения земляного полотна для обеспечения устойчивости откосных частей объемным многоэлементным армированием внедрен при проектировании на объекте Красноярской железной дороги.
Положения, выносимые на защиту:
1) способ упрочнения земляного полотна объемным многоэлементным армированием;
-
результаты численного исследования работы армирующих конструкций при упрочнении откосов земляного полотна;
-
результаты экспериментальных исследований при упрочнении откосов земляного полотна объемным многоэлементным армированием;
-
методика проектирования и реализации способа упрочнения земляного полотна объемным многоэлементным армированием.
Степень достоверности и апробация работы. Достоверность полученных результатов подтверждается:
- применением сертифицированных и поверенных приборов, оборудования
и средств измерения;
- применением детально проработанной методики, основанной на
использовании современных средств обработки опытных данных;
воспроизводимостью результатов, подтвержденной большим объемом экспериментальных исследований;
согласованием экспериментальных данных с известными примерами работы армирующих конструкций;
- результатами внедрения предложенных решений при проектировании на
объектах железнодорожного транспорта.
Положения диссертационной работы обсуждались на международной научно-практической конференции, посвященной 200-й годовщине победы России в Отечественной войне 1812 г. (Россия, Пермь, 2012 г.); на Девятой научно-технической конференции с международным участием «Чтения, посвященные памяти профессора Г.М. Шахунянца» (Россия, Москва, 2012 г.); на Одиннадцатой научно-технической конференции с международным участием «Чтения, посвященные памяти профессора Г.М. Шахунянца» (Россия, Москва, 2014 г.).
Личный вклад автора состоит в:
- разработке и реализации программы экспериментальных и
теоретических исследований;
- установлении зависимостей механических характеристик упрочненной
среды от параметров армирования;
- разработке методики проектирования и реализации упрочнения
земляного полотна, а также в получении зависимостей для определения
параметров грунтового массива, упрочненного объемным многоэлементным
армированием;
- научном обосновании и разработке способа упрочнения земляного
полотна, защищенного патентом РФ на изобретение, в соавторстве с научным
7 руководителем канд. техн. наук, доц. А.Л. Ланисом и старшим научным сотрудником ФГБОУ ВПО СГУПС В.Ф. Скоркиным.
Публикации и изобретения. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в шести печатных работах общим объемом 2,37 п. л. (в том числе авт. 1,78 п. л.), среди них две работы объемом 1,01 п. л. - в ведущих научных рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки России. По результатам исследований получен патент РФ на способ ремонта железнодорожного земляного полотна.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и библиографического списка. Объем диссертационного исследования - 162 страницы основного текста, 85 рисунков, 22 таблицы. Список литературы включает 140 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
