Введение к работе
Актуальность темы исследования. Проблема обеспечения надежности земляного полотна на оттаивающем основании является актуальной как при проектировании новой железнодорожной линии, так и для уже существующего земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах (ММГ). Важность этого направления в строительстве заключается в том, что большая часть России расположена на территории распространения ММГ, и такие вопросы, как безопасность движения, расширение сети железных дорог, освоение новых районов в сложных геокриологических условиях являются важной стратегической задачей для государства.
Протяженность железных дорог ОАО «РЖД», проходящих в районах распространения ММГ, составляет свыше 5 тыс. км. Эти участки железных дорог характеризуются повышенной деформативностью земляного полотна. Самым распространенным видом деформаций в этих условиях (до 94% по протяжению) являются осадки пути из-за оттаивания льдистых грунтов в основании. При этом осадки происходят как на вновь построенном земляном полотне, так и на длительно эксплуатируемых линиях. Так, на некоторых участках Северной железной дороги незатухающие деформации наблюдаются и через 50 лет после начала эксплуатации, а на участках Забайкальской — и через 100 лет.
Как показывает анализ, одной из причин возникновения деформаций земляного полотна на льдистых грунтах в условиях распространения ММГ являются неточности в проектировании, вызванные применением расчетных методик, не полностью учитывающих особенности процессов теплового и механического взаимодействия земляного полотна и оттаивающего основания.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методики оценки устойчивости и деформативности земляного полотна новых и длительно эксплуатируемых линий в условиях распространения ММГ и мероприятий по обеспечению необходимой его устойчивости и ограничения деформаций с учетом совместного рассмотрения решения задачи теплового и механического взаимодействия с оттаивающим основанием.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Проведение анализа современного состояния проблемы по обеспечению стабильности земляного полотна на оттаивающем основании в условиях распространения ММГ;
2. Разработка новой расчетной модели оттаивающего основания, учитывающей совместное протекание процессов оттаивания и консолидации оттаивающих грунтов, а также определение критерия ее применимости;
3. Проверка адекватности предложенной модели с помощью численного моделирования в различных условиях;
4. Разработка алгоритма оценки устойчивости и деформативности земляного полотна, использующего разработанную расчетную модель оттаивающего основания;
5. Разработка методики совместного проектирования продольного профиля трассы и конструктивных решений земляного полотна новой линии на ММГ, исходя из предложенного алгоритма оценки устойчивости и деформативности земляного полотна;
6. Разработка методики оценки устойчивости и деформативности земляного полотна длительно эксплуатируемых линий на ММГ и проектирования противодеформационных мероприятий (ПДМ).
Методы исследования. Для решения поставленных задач выполнялись теоретические исследования и численное моделирование. Расчетная модель разработана на основе известных теоретических положений теплофизических и консолидационных процессов, происходящих в грунтах. Для разработки методики оценки устойчивости и деформативности земляного полотна выполнено исследование численным моделированием процесса теплового взаимодействия по методу конечных разностей (МКР) с применением программного комплекса «Тепло» (Свидетельство № 940281, РосАПО, 1994) и механического взаимодействия методом конечных элементов (МКЭ) с применением программного комплекса Plaxis (Сертификат соответствия №РОСС NL.МЕ20.НО2482).
Научная новизна заключается в следующем:
1. Предложена новая расчетная модель оттаивающего основания, учитывающая переменность свойств грунтов в зависимости от скоростей оттаивания и консолидации;
2. Предложен критерий применимости новой модели оттаивающего основания в виде соотношения скоростей оттаивания и консолидации грунтов основания и разработана расчетная методика его определения;
3. Разработан алгоритм оценки устойчивости и деформативности земляного полотна на ММГ для условий строительства и эксплуатации земляного полотна на оттаивающих грунтах, основанный на новой расчетной модели оттаивающего основания и учитывающий фактор времени, который является определяющим;
4. Предложен новый подход к проектированию строящихся железных дорог на ММГ, заключающийся в совместном проектировании продольного профиля трассы и выборе конструктивных решений земляного полотна.
Практическая ценность:
Полученные в диссертационной работе результаты исследований позволяют:
- использовать разработанный алгоритм расчетов для проектирования земляного полотна на ММГ, а также для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтов и дальнейшего прогноза деформативности сооружения и разработки предложений по его стабилизации;
- разработать и обосновать экономически эффективные конструкции насыпей и технологии их возведения для нового земляного полотна и противодеформационные мероприятия для эксплуатируемого.
Реализация и апробация работы:
Результаты исследований, новая схема расчетов использованы в практике проектирования и строительства новой линии Обская-Бованенково, при проектировании ПДМ на участках линии Чум-Лабытнанги Северной ж.д. и линии Чита – Сковородино Забайкальской ж.д. Частично разработанная методика была использована при научном сопровождении проектирования линии Томмот-Якутск, и результаты работы включены в «Основные положения по проектированию земляного полотна пускового комплекса Томмот – Кердем железнодорожной линии Беркакит – Якутск». Результаты настоящего исследования выносились на обсуждение на семинары и конференции, в том числе международные. Доклады по работе были представлены на следующих конференциях и семинарах:
1. V научно-техническая конференция «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» с международным участием. Чтения, посвященных памяти Г.М. Шахунянца, МИИТ, ноябрь 2008 г.
2. VIII научно-техническая конференция «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» с международным участием. Чтения, посвященных памяти Г.М. Шахунянца, МИИТ, июнь 2011 г.
3. IX научно-техническая конференция «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» с международным участием. Чтения, посвященные 108-летию профессора Г.М. Шахунянца, МИИТ, апрель 2012 г.
4. International Conference on Physics Science and Technology (ICPST 2011), Гонконг, 11-13 декабря 2011г.
5. International Conference on Railway Engineering (ICRE 2012), Пекин, 20-21 июля 2012 г.
6. GeoManitoba 2012 – the 65th Canadian Geotechnical Conference, Канада, 2012 г.
7. Международная научно-практическая конференция, посвященная 80-летию Сибирского государственного университета путей сообщения «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе», Новосибирск, СГУПС, ноябрь 2012 г.
8. International Symposium on Design and Practice of Geosynthetic-Reinforced Soil Structures. School of Engineering and Architecture Bologna University, Italy, 14-16 October, 2013.
На защиту выносятся:
- расчетная модель оттаивающего основания и критерий её применимости, учитывающие переменность свойств грунтов в зависимости от скорости оттаивания и консолидации;
- методика расчетной оценки устойчивости и деформативности земляного полотна новых и длительно эксплуатируемых линий на оттаивающих грунтах в условиях распространения ММГ;
- результаты численного моделирования теплового и механического взаимодействия земляного полотна и оттаивающего основания;
- методика технико-экономического обоснования принципа сооружения земляного полотна на основе совместного проектирования его конструкций и продольного профиля линии.
Публикации: по материалам диссертации опубликовано 9 статей, 3 из которых входят в перечень ВАК, 4 – в международных издательствах.
Структура и объем работы:
