Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ опыта упрочнения грунтов земляного полотна 10
1.1. Обзор деформаций основной площадки земляного полотна, методов усиления 10
1.2. Усиление земляного полотна методом напорной инъекции твердеющего раствора 22
1.3. Обоснование выбранного направления работы и задачи исследований 34
Глава 2. Экспериментальные исследования при усилении земляного полотна и основания методом напорной инъекции 37
2.1. Методика, способы и приборы, используемые при проведении экспериментальных исследований 37
2.2. Исследование характера взаимодействия твердеющего раствора с грунтами, упрочненными напорной инъекцией 44
2.3. Исследования технологических параметров и влияния напорной инъекции на изменение механических характеристик грунтового массива 53
2.3.1. Исследования по определению оптимальной конструкции инъектора 55
2.3.2. Экспериментальная проверка существующей методики определения объема инъектируемого раствора 63
2.3.3. Разработка методики контролирования изменения характеристик грунтового массива после усиления 65
2.3.4. Исследование влияния включений затвердевшего раствора на изменение механических характеристик грунтового массива 66
2.4. Определение прочностных характеристик грунтов земляного полотна, усиленного методом напорной инъекции 73
2.5. Разработка методики подбора состава инъектируемых растворов 77
Выводы по главе 2 83
Глава 3. Рекомендации к расчету земляного полотна, усиленного напорной инъекцией 85
3.1. Определение параметров сжимаемости армированного инъектированным раствором грунта 85
3.2. Метод расчета напряжений в окрестности инъектированного в грунт раствора 92
3.3. Определение объема раствора при заданном давлении инъектирования 98
3.4. Определение давления инъектирования, при котором происходит поднятие поверхности 100
Выводы по главе 3 105
Глава 4. Разработка методики проектирования и способа усиления грунтов земляного полотна, метода контроля качества 107
4.1. Методика проектирования усиления земляного полотна методом напорной инъекции 107
4.2. Способ усиления земляного полотна методом напорной инъекции... 110
4.3. Диагностика и контроль качества упрочнения грунтового массива 113
4.4. Исследование и внедрение предложенных методики и способа при усилении земляного полотна 116
4.5. Расчет напряженно-деформированного состояния земляного полотна методом конечных элементов 128
4.6. Оценка экономической эффективности усиления земляного полотна методом напорной инъекции 131
Выводы по главе 4 137
Заключение 139
Библиографический список 142
Приложение 153
- Усиление земляного полотна методом напорной инъекции твердеющего раствора
- Исследование характера взаимодействия твердеющего раствора с грунтами, упрочненными напорной инъекцией
- Метод расчета напряжений в окрестности инъектированного в грунт раствора
- Исследование и внедрение предложенных методики и способа при усилении земляного полотна
Введение к работе
Разработанная и утвержденная в 2008 г. правительством «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года» [1] предполагает повышение эффективности работы ОАО «РЖД» с выходом его работы на показатели мировых лидеров железнодорожного транспорта.
В соответствии с принятой «Стратегией» [1] основной задачей в части развития железнодорожной инфраструктуры является повышение надежности и безопасности её технических средств, и в первую очередь железнодорожного пути. Одновременно с этим планируется повышение интенсивности воздействия на него в связи увеличением среднего веса и длины грузового поезда, роста скоростей грузовых и пассажирских поездов.
Земляное полотно является одним из основных элементов железнодорожного пути - его фундаментом, поэтому решение поставленных задач во многом зависит от его эксплуатационного состояния. Вместе с тем на значительной части Российских железных дорог земляное полотно было построено уже более ста лет назад по техническим нормам, не отвечающим современным нагрузкам и скоростям движения, а поэтому в настоящих условиях требует усиления. Так, в настоящее время по статистическим данным железных дорог, обобщенным Центром ИССО ОАО «РЖД» [2], протяженность дефектного и деформирующегося земляного полотна при современных условиях эксплуатации составляет более 5 тыс. км. Наличие деформаций и дефектов приводит к повышенным расходам на содержание пути, снижает уровень безопасности движения поездов. В 2007 г. в ОАО «РЖД» было принято решение о введении в регламент ремонтных работ изменения с внесением нового вида работ по реконструкции инфраструктуры, которая предусматривает расширение номенклатуры и объемов работ по усилению земляного полотна [3].
Одной из главных причин, вызывающих необходимость усиления земляного полотна при росте интенсивности воздействия, является необеспечение его несущей способности, которое в первую очередь вызвано дефектами и де-
формациями основной площадки и уменьшением устойчивости откосных частей насыпей.
Анализ статистических данных по видам деформаций земляного полотна показывает, что около 40 % из них приходится на деформации основной площадки, а сплывы откосов высоких насыпей остаются одной из основных причин, вызывающих перерывы в движении поездов.
Данные деформации связаны во многом с недостаточными прочностными свойствами грунтов, слагающих земляное полотно.
В настоящее время для обеспечения несущей способности и повышения устойчивости земляного полотна широко используются различные способы усиления. Однако многие из них являются дорогостоящими и в силу разных причин не всегда применимы в конкретных инженерно-геологических условиях, особенно из-за технологических сложностей, что сдерживает темпы усиления земляного полотна. В связи с этим существует необходимость в разработке новых способов усиления, среди которых могут найти использование известные и опробованные в фундаментостроении методы, позволяющие эффективно укреплять грунты основания. Данные методы должны быть адаптированы к усилению эксплуатируемого железнодорожного земляного полотна с учетом особенностей его возведения и эксплуатации. Среди таких методов следует выделить инъектирование в массив грунта под высоким давлением вяжущих растворов специально подобранного состава (метод напорной инъекции).
Отличие этого способа усиления грунтов от других инъекционных методов заключается в том, что нагнетание твердеющего раствора осуществляется с разрывом структуры грунта, при этом его распространение происходит по образовавшимся трещинам и слабым прослоям в массиве. В результате происходит образование жесткого каркаса из затвердевшего раствора и уплотнение грунта в местах его обжатия.
Широкое распространение метода напорной инъекции в гражданском строительстве и отсутствие методики проектирования параметров инъектиро-
6 вания при усилении земляного полотна и его основания подтверждают актуальность темы настоящей диссертационной работы.
Цель работы состоит в разработке способа усиления земляного полотна железных дорог для обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Выявлены особенности распространения инъектируемого раствора в
грунтах земляного полотна, и найдены оптимальные технологические парамет
ры инъектирования.
2. Экспериментально исследовано изменение свойств грунтового массива
при напорной инъекции твердеющего раствора.
3. По результатам теоретических исследований получены решения:
по определению коэффициента пористости и модуля деформации армированного раствором грунта с учетом включений из затвердевшего раствора;
по оценке объема инъектируемого раствора и давления инъектирования, при которых происходит выдавливание раствора из зоны упрочнения.
4. Разработан способ усиления земляного полотна железных дорог для
обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости
откосных частей насыпей с упрочнением грунтов методом напорной инъекции,
включающий предложения по контролированию изменения характеристик
грунтов после упрочнения.
Методика исследования. Для решения поставленных задач выполнены теоретические и экспериментальные исследования, основанные на теории механики грунтов. Полевые эксперименты выполнялись на реальных объектах Западно-Сибирской железной дороги. Для расчета напряженно-деформированного состояния земляного полотна использовался метод конечных элементов, реализованный в программно-вычислительном комплексе «Plaxis». При разработке способа усиления земляного полотна использованы
результаты исследований отечественных и зарубежных ученых в области механики грунтов и земляного полотна железных дорог. Научная новизна работы:
Выделены типичные конфигурации затвердевшего раствора (пластины, столбы, массив), образующиеся в результате напорной инъекции в глинистые грунты земляного полотна, и выявлены закономерности их образования в зависимости от технологии инъектирования.
Предложен принцип предварительного ослабления структуры грунта и для его осуществления разработана конструкция инъектора.
Выявлено, что при упрочнении грунтов земляного полотна напорной инъекцией значение модуля деформации увеличивается в 2 - 10 раз, а значения удельного сцепления соответственно в 3 - 4 раза.
Получены теоретические решения по определению критической величины давления инъектирования, при которой происходит выдавливание раствора из зоны упрочнения.
Разработан способ усиления основной площадки земляного полотна и откосов насыпей методом напорной инъекции, позволяющий учесть свойства твердеющего раствора и особенности эксплуатируемого земляного полотна железных дорог.
Достоверность и обоснованность результатов исследований, выводов диссертационной работы обеспечивается большим объемом экспериментальных исследований, имеющих детально проработанную методику, основанную на применении современных средств обработки опытных данных; результатами внедрения предложенных решений на объектах железнодорожного транспорта.
Практическое значение и внедрение результатов работы. Практическая значимость диссертационной работы состоит в возможности использования при усилении основной площадки земляного полотна и откосов насыпей железных дорог метода напорной инъекции и методики контролирования качества работ.
Способ усиления земляного полотна для обеспечения несущей способности грунтов основной площадки и устойчивости откосных частей насыпей с уп-
рочнением грунтов методом напорной инъекции внедрен на объектах Западно-Сибирской железной дороги.
Личный вклад автора состоит:
в разработке методики и проведении полевых и лабораторных экспериментов, в получении результатов выполненных экспериментальных исследований;
в научном обосновании и разработке способа ремонта железнодорожного земляного полотна, способа контроля качества усиления грунтового массива, конструкции инъектора для усиления, защищенных тремя патентами РФ на изобретения и полезную модель в соавторстве с научным консультантом канд. техн. наук, доц. М.Я. Крицким и соавторами, внесшими свой вклад в инженерную часть этих разработок (В.Ф. Скоркин, В.Б. Воронцов).
На защиту выносится:
Способ усиления земляного полотна методом напорной инъекции.
Результаты экспериментальных исследований распространения твердеющего раствора в грунтовом массиве.
Методика проектирования усиления земляного полотна методом напорной инъекции.
Методика контролирования изменения характеристик земляного полотна при его усилении методом напорной инъекции.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока - Транссибу» (Россия, Новосибирск, 2002 г.); на Международном геотехническом симпозиуме (Россия, Санкт-Петербург, 2003 г.); на научно-технической конференции «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов» (Россия, Мо-
сква, 2003 г.); на Международной конференции по проблемам механики грунтов, фундаментостроению и транспортному строительству (Россия, Пермь, 2004 г.); на Международной геотехнической конференции, посвященной году РФ в РК (Казахстан, Алматы, 2004 г.); на научно-технических конференциях НГАСУ (2002-2004 гг.); на Пятой Всеукраинской научно-технической конференции по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению (Украина, Одесса, 2004 г.); на Международном геотехническом симпозиуме «Природные и техногенные чрезвычайные геотехнические ситуации» (Россия, Иркутск, 2005 г.); на Международном геотехническом симпозиуме «Geotechnical Aspects of Natural and Man-Made Disasters» (Казахстан, Астана, 2005 г.); на Международной конференции «Город и геологические опасности» (г. Санкт-Петербург, 2006 г.); на Международной конференции по геотехнике «Развитие городов и геотехническое строительство» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); на Пятой научно-технической конференции с международным участием, МГУПС (г. Москва, 2008 г.).
Публикации и изобретения. Основное содержание диссертационной работы представлено в двенадцати работах. В том числе по результатам исследований получены три патента РФ: на способ ремонта железнодорожного земляного полотна, на конструкцию инъектора и на метод определения характеристик грунтов земляного полотна, усиленного напорной инъекцией.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, содержащего 103 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Объем диссертационного исследования — 152 страницы, работа включает 53 рисунка, 18 таблиц и приложение.
Усиление земляного полотна методом напорной инъекции твердеющего раствора
При нагнетании цементных растворов под давлением, превышающим структурную прочность грунта, в массиве земляного полотна образуются трещины, полости и разрывы, в которые способно свободно проникать не только цементное молоко, но и жесткие смеси на основе цементного вяжущего (це-ментно-песчано-глинистые растворы). При увеличении давления нагнетания границы фунтовых условий применения инъектирования растворов на основе цементного вяжущего для усиления земляного полотна значительно расширяются.
Использование высоких давлений при нагнетании растворов в закрепляемые массивы впервые стало применяться в шахтном строительстве с конца 50-х гг. XX в. и носит название метода гидроразрыва. В 60-х гг. такого рода работы нашли широкое распространение в гидротехническом строительстве (устройство противофильтрационных завес) и в тоннелестроении. Давление при инъекции в отдельных случаях доводилось до 40 МПа [37]. Для нагнетания закрепляющих растворов на значительные глубины нашли применение инъекторы-тампоны, используемые в скважинах с манжетами. Теоретическое обоснование различных аспектов инъекции с помощью гидроразыва или по так называемой манжетной технологии с многочисленными примерами приведено в монографии А. Камбефора [37].
Высокие давления при нагнетании растворов на основе цементного вяжущего используются также в методе струйной цементации (Jet grouting method -метод струйного укрепления). Струйная технология укрепления грунтов, в отличие от инъекционной, основана на разрушении грунта высоконапорной струей и перемешивании его с укрепляющим цементным материалом [64]. Впервые процесс струйной цементации был разработан и запатентован в 1977 г. в Японии. Подробно метод в настоящей работе не рассматривается, так как не относится к инъекционным.
Инъекция с помощью инъектора с двойным тампоном (так называемого пакера), установленного внутри манжетной колонны, производится после набора обойменным раствором необходимой прочности [65]. Давления инъекции разрывают обойму, и раствор в виде плоских струй внедряется в грунт. Величины давлений разрыва обоймы и инъекции зависят от многих причин и варьируются в пределах нескольких мегапаскалей. Давление раствора в трещинах ведет к обжатию фунта, если проницаемость его велика, то грунт будет дополнительно пропитываться [66].
С помощью гидроразрывного метода во всем мире успешно выполнено много противофильтрационных завес. Одним из крупнейших объектов являлась завеса Асуанской плотины, где с 1965 по 1970 г. было выполнено около 3900 скважин до глубины 170 м [49]. Упрочнение грунтов земляного полотна с использованием этого метода в мировой практике ранее не выполнялось.
Усиление земляного полотна инъекционными методами в режиме пропитки впервые было осуществлено на Пенсильванской железной дороге в США в 1938 г. и с тех пор используется на американских железных дорогах. К 1970 г. этот способ был применен на 55 участках железных дорог. Впоследствии были сделаны попытки его внедрения в Англии и других странах [67].
Изначально инъектирование применялось только при введении цементного раствора в балластные ложа. При этом считалось, что поверхность грунта под балластом пропитывается слоем раствора или последний полностью пропитывает балласт, заполняющий ложе. В обоих случаях достигается гидроизоляция земляного полотна. При этом из балластного ложа выжимается содержащаяся в нем вода. Впоследствии метод стал использоваться и для укрепления насыпей в случае оползания откосов, при скольжении насыпи по поверхности склона и осадке ее в слабые грунты основания.
В соответствии с выполненными в США исследованиями расходы на цементацию окупались в течение 3-5 лет, а экономия по отношению к расходам на содержание пути до укрепления колебалась от 46 до 95 %. Для насыпей около Фэнни - Кэмптон, несмотря на исключительно высокое поглощение раствора (до 15 % от объема насыпи) и неудачи с первым нагнетанием, потребовавшим его повторения, стоимость работ оказалось в 5 раз ниже традиционных мероприятий по усилению [67].
В нашей стране исследования по использованию цементации для стабилизации балластных углублений и сползающих откосов выполнялись под руководством Д.В. Волоцкого (КИСИ) совместно с лабораторией технологии химиче ской обработки грунтов земляного полотна ВЗИИТа [42]. Наиболее ярким примером являются работы по стабилизации сползающего откоса железнодорожной насыпи высотой 12 м в г. Казани, сложенной из пылеватых супесей и суглинков, путем инъектирования цементных растворов. Справочной литературой [12] инъецирование вяжущих материалов в балластные углубления рекомендовано выполнять с помощью специальных инъекторов, которые после окончания работ извлекают из тела земляного полотна. В работе Л.А. Смоляницкого [69] отмечается, что одним из прогрессивных методов стабилизации балластных углублений является инъекция цементного раствора, а основным достоинством метода является возможность выполнения работ без закрытия перегона и ограничения скорости движения. Отмечается также, что схватывание и твердение нагнетенного в балластное углубление цементного раствора успешно происходит при движении поездов.
До настоящего времени инъекция цементных растворов на железной дороге использовалась только в режиме пропитки, то есть строго ограничивалась дренирующими грунтами. Напорная инъекция предполагает давления выше величины разрыва структуры грунта, поэтому из-за возможного неконтролируемого распространения раствора и отсутствия методов диагностики и контроля выполняемых работ для упрочнения грунтов земляного полотна она ранее не использовалась.
Исследование характера взаимодействия твердеющего раствора с грунтами, упрочненными напорной инъекцией
Подбор состава инъектируемьтх растворов заключался в выборе составляющих компонентов - цемента, глины, песка - путем определения соотношения между ними (Ц : Г : П) и установления водоцементного отношения, при котором получается смесь с требуемыми свойствами при минимальном расходе цемента.
Возможность инъектирования раствора определяется прежде всего такими свойствами, как удобоукладываемость и связность. Удобоукладываемость характеризуется коэффициентом подвижности, который зависит от расхода воды на 1 м3 сухой смеси. На подвижность раствора влияет также состав сухой смеси. Чем меньше диаметр частиц, тем выше подвижность раствора. От подвижности раствора зависит возможность распространения раствора по шлангам и непосредственно в грунтовом массиве. В то же время при увеличении подвижности раствора возрастает расход цемента и происходит снижение прочности затвердевшего раствора. В экспериментах глубина погружения стандартного конуса при определении удобоукладываемости раствора принята не менее 15 см. Подвижность растворной смеси оценивалась по глубине погружения конуса СтройЦНИЛа.
Подбор раствора с заданными свойствами осуществлялся варьированием отношения вяжущего: цемента и глины. Варьирование данного отношения приводило к изменениям сроков схватывания, прочности, водовяжущего отношения, водоудерживающей способности, объемной массы и влажности полученного монолита. При этом отношение песка к вяжущему сохранялось начальным -25-1
Определение прочностных характеристик выполнялось по ГОСТ 310.1-82, в соответствии с которым определялись прочность затвердевшего раствора на изгиб испытанием образцов-призм, на сжатие их половинок. Из раствора каждого состава изготавливались призмы 4 4x16 см, испытания которых производились через 7, 14, 28 сут после изготовления, при этом подбиралось водовяжущее отношение (В/В) по требованиям удобоукладываемости.
Отдельно производились измерения сроков схватывания вяжущего. Определение сроков схватывания производилось на тесте нормальной густоты, т. е. такой консистенции, при которой пестик прибора Вика, погруженный в кольцо, заполненное тестом, не доходит 5-7мм до основания кольца (характеризуется количеством воды затворения в процентах от массы вяжущего). Для определения начала и конца схватывания на приборе Вика пестик заменялся иглой. Испытание балочек на изгиб проводили через 7, 14, 28 сут на машине МИИ-100. Предел прочности на изгиб определяли по формуле где Р - разрушающая нагрузка, кН; / - расстояние между опорами пресса, см; Ъ — ширина образца, см; h - высота образца, см.
Испытания образцов на одноосное сжатие проводили также через 7, 14, 28 сут на прессе. По линейной части графика получены значения модуля деформации. Предел прочности на сжатие определяли следующим образом: где Р - разрушающая нагрузка, кН; F - рабочая площадь поперечного сечения образца, см".
Исследования выполнялись на двух типах грунтов: 1) насыпных неоднородных грунтах, представленных смесью глинистого грунта и загрязненного балласта; 2) глинистых грунтах: супеси, суглинки от твердой до мягкопластичной консистенции. Исследования на насыпных грунтах выполнялись при усилении железнодорожной насыпи на 15-м км перегона Дедюево-Буреничево и земляного полотна над трубой на 88-м км линии Алтайская-Бийск Западно-Сибирской железной дороги. Подробная информация об этих объектах приведена в гл. 4.
При производстве работ на этих объектах велся журнал, в котором отмечались технологические параметры: давление разрыва структуры грунтов (отмечается резким скачком давления на выходе из растворонасоса и резким падением через некоторое время), давления нагнетания и окончания. По каждому инъ-ектору фиксируется объем раствора.
Исследования выполнены на двух разновидностях грунтов: дренирующих (содержание менее 10 % частиц по массе размером менее 0,1 мм) и недрени-рующих. В табл. 2.1 для каждого случая приведены по 10 характерных инъекций. Рассмотрена глубина нагнетания от 1,0 до 1,6 м. При глубине погружения инъектора менее 1,0 м создать давление разрыва не представляется возможным - происходит прорыв раствора.
Процесс инъектирования заключался в следующем. После погружения до необходимой глубины инъектор поддергивался, освобождался от наконечника. После этого под давлением подавался раствор. В случае недренирующих грунтов давление в системе повышалось до значения, при котором происходит разрыв грунта, затем происходило нагнетание раствора. В случае дренирующих грунтов резкого скачка давления не происходило, что говорит о распространении раствора в режиме пропитки. Прорывы для недренирующих грунтов происходят чаще всего в случае, если плотность грунта выше, чем заложенная в проекте. В этом случае требуются более высокие значения давления разрыва структуры грунта и меньшие объемы нагнетаемого раствора (примеры № 1,5, 6). Избежать прорывов можно варьированием технологических параметров. Прорывы раствора в дренирующих грунтах происходят из-за невозможности разрывов грунта, раствор выходит из упрочняемого массива по пути наименьшего сопротивления. Избежать этого можно только создав компрессионные условия, что крайне сложно в условиях земляного полотна.
Метод расчета напряжений в окрестности инъектированного в грунт раствора
Во второй главе было показано, что в результате инъектирования раствора в грунт, форма затвердевшего раствора, в зависимости от способа инъектирования и свойств конкретного грунта, может быть самой разнообразной - линзо-видной, цилиндрообразной, шарообразной и др. (см. рис. 3.5). В общем случае, практически невозможно разработать метод расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) грунта в окрестности таких разнообразных по форме включений из раствора. Поэтому остановимся на случае, когда возможно будет хотя бы оценить НДС грунта - на шарообразной форме инъектированного в однородный грунт раствора.
Постановка задачи 1. В грунт на глубине h нагнетается раствор шаровидной формы радиуса r0, r0 « h. Пусть на поверхности раствора давление равно сг0. Выделим в грунте область в форме куба со стороной Ъ, г0 « Ъ « И, центр которого совпадает с центром VQ. Учитывая введенные выше неравенства, заменим объемные силы нормальными сжимающими апряжениями rto, crhv, ahz
вдоль осей Ох, Оу, Oz декартовой системы координат Oxyz, приложенными на его внешней поверхности (см. рис. 3.5 - сечение у = 0). где у- удельный вес грунта в нетронутом массиве; — коэффициент бокового распора; C\K), hxz,rhvz - касательные напряжения на соответствующих гранях куба.
Найти в грунте форму области Vd влияния давления а0, ее размеры и распределение напряжений в области V = Vd - V0 при условии, что т0 » с. Решение задачи 1. Сначала найдем поле напряжений в грунте от действия давления оь без учета граничных условий (3.11). В этом случае областью влияния давления т0 будет вся среда.
Грунты в основном относятся к слабосвязным сыпучим средам и являются существенно разномодульными - их прочность при растяжении определяется сцеплением с, а при сжатии - углом внутреннего трения р и сцеплением. Поэтому при поиске напряжений от действия давления ст0 в сферической полости радиуса г0 нельзя использовать решение для двойных сосредоточенных сил, действующих в сплошной упругой среде, дающее затухание радиальных напряжений в третьей степени расстояния г от центра полости: ar = а0 r03 /г3.
При принятом в постановке задачи условии cr0»c, сцеплением грунта можно пренебречь. В идеально сыпучей среде (далее - в сыпучей среде) не могут развиваться растягивающие напряжения, и давление х0 передается от сферической поверхности вглубь массива только через сжимающие напряжения на контактах между частицами. На расстоянии г г0 от центра полости число кон тактов пропорционально площади поверхности сферы 4кг радиуса г и вы полняется равенство 4 кг ст0 = 4 кг" стг, откуда следует: где Jr,crt,Trt - радиальные, окружные и тангенциальные напряжения в сферической системе координат Orr/в (на рис. 3.5 - г/ - 0).
Перейдем к определению поля напряжений в сыпучей среде с учетом граничных условий (3.11). В этом случае влияние давления оь будет ограничено областью Vd, размеры ax,az (по осям Ox, Oz соответственно) которой зависят от величин Т/да J},:: Учитывая первые соотношения (3.11), (3.12) и последние два равенства, получим ах = Ьл/О о lGhx az = Ол/o-o/ fe - (3.13)
При этом форма Vd должна быть выпуклой и осесимметричной относительно оси z. Такими свойствами обладает эллипсоид с полуосями ax,ay=ax,az. Граничные условия на внутренней и внешней поверхностях области V - Vd - V0 имеют вид: где га — расстояние от начала координат до точки на поверхности эллипсоида, равное:
Поле напряжений в области К определяется путем наложения a ,(7 и т0. Напряжения стЛ,сг.,гх,, выраженные через crr,crt,Trt, равны: На внешней границе области V, в соответствии с (3.16) и последней тройкой граничных условий (3.14), имеем
Разделив числитель и знаменатель правой части последнего равенства на о и введя обозначение = crt(r = rd)/ar(г = rd), после преобразований получим
Исследование и внедрение предложенных методики и способа при усилении земляного полотна
Предложенные методика проектирования, способ усиления земляного полотна и метод контроля качества разработаны в процессе выполнения исследований при усилении железнодорожной насыпи на 15-м км перегона Дедюево— Буреничево и земляного полотна над трубой на 88-м км линии Алтайская-Бийск Западно-Сибирской железной дороги (акты об использовании результатов диссертационных исследований приведены в приложении).
В 2002-2003 гг. было осуществлено усиление земляного полотна железнодорожной насыпи высотой 25 м на подходе к мосту через реку Камышанка [103]. Деформации начались в 1983 г. и за 2 мес. достигли 60 мм осадки и 300 мм горизонтального смещения в сторону откоса. Институтом «Гипротранс-путь» запроектированы стабилизационные мероприятия в виде отсыпки контрбанкетов из дренирующего грунта в двух уровнях. Но и после реализации в 1996-1999 гг. этих мероприятий деформации продолжались. Протекали они в виде сползания мощных балластных шлейфов и некачественно отсыпанных контрбанкетов по фиксированным поверхностям скольжения, приуроченным к контакту крупнообломочного материала и загрязненного откоса насыпи. Наличие провалов на междупутье указывало на наличие суффозионного выноса песчаной фракции через поры и пустоты в крупнообломочном материале. Общий вид насыпи представлен на рис. 4.4.
В теле насыпи геофизическими методами были обнаружены многочисленные переувлажненные области. По глубине все зоны с повышенной влажностью имеют тенденцию к развитию, при этом эпицентр обводнённости всех зон расположен на глубине примерно 5 м. Отмеченное обстоятельство явилось следствием того, что деформации насыпи, особенно интенсивно проходившие в 80-х гг., привели к возникновению в основной площадке балластных мешков, в которых скапливаются атмосферные воды. В результате грунты основной площадки обводняются, развиваются суффозионные процессы (см. рис. 4.5). ком, глиной с примесью органических веществ (с линзами и прослоями торфа и почвенно-растительного слоя) (рис. 4.6).
В соответствии с предложенными методикой проектирования и способом усиления земляного полотна проведены следующие мероприятия. Осушение верхней зоны земляного полотна выполнено путем погружения под балластную призму основной площадки перфорированных трубчатых дренажей. Основная площадка насыпи и загрязненные балластные шлейфы упрочнялись и армировались путем нагнетания в ослабленные зоны раствора специально подобранного состава под давлением, превышающим структурную прочность грунта. При инъектировании твердеющего раствора в ослабленные зоны земляного полотна происходило осушение его верхней зоны с помощью трубчатых дренажей. Схема размещения инъекторов и дренажных труб на плане приведена на рис. 4.7. Размещение инъекторов и дренажных труб на сечении приведено на рисунке 4.8. - балласт щебеночный; 3t - балласт щебеночный с суглинистым заполнителем до 30 %, маловлажный; 4t - балласт песчаный с включением гравия и гальки до 40 %, маловлажный, влажный; 9t - насыпной суглинок желто-серый, светло-бурый с гнездами и линзами ПРС, торфа и глины, частично с включением щебня; 10t - насыпная глина желто-бурая с гнездами и линзами ПРС и торфа, частично с включением щебня и дресвы до 20 % На рис. 4.9 представлен процесс упрочнения и армирования верхней зоны земляного полотна в междупутье и под вторым путем напорными инъекциями цементно-песчано-глинистым раствором с одновременным заполнением балластных углублений в основной площадке насыпи. Работы по инъектированию можно разделить на несколько этапов. При погружении инъекторов динамическим зондированием уточнялись отметки разуплотнения, при этом инъектор погружался на глубину не менее проектной и не менее чем на 30-50 см ниже разуплотненной зоны. В целом для основной площадки глубина погружения инъекторов составляла 6-7,5 м. Расстояние между инъекторами составляло 2,0 м. Раствор закачивался в разуплотненную зону, которая по высоте ограничена плотным грунтом (вертикальные экраны), а по ширине соприкасается с зонами инъектирования от соседних инъекторов. Количество ярусов инъектирования определяется в соответствии с расположением разуплотненных зон таким образом, чтобы достигнуть максимального эффекта от проводимых работ. В целом если разуплотненная зона распространялась на значительную высоту (более 1 м), то расстояние между ярусами инъектирования составляло 0,5 м. В случае, если разуплотненная зона прерывалась слоем плотного грунта, то инъектор поддергивался до отметки следующей разуплотненной зоны. Оборудование для нагнетания раствора располагалось на контрбанкете. Смешивание составляющих нагнетаемого раствора производилось в растворосмесителе СБ-133, после чего растворонасосом СО-49 раствор по шлангам, выдерживающим давление до 6 МПа, подавался на высоту к инъекторам. Основным видом контроля качества усиления земляного полотна являлось динамическое зондирование до и после проведения работ по усилению. После выполнения указанных мероприятий ограничение скорости на участке отменено.
